Технология закалки и отпуска стали

Целью закалки и отпуска стали является повышение твердости и прочности. Закалка и отпуск стали необходимы для очень многих деталей и изделий. Закалка основана на перекристаллизации при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлит путем быстрого охлаждения. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.

Чаще всего сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А1. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска.

Закалка стали. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше точки Ас3, для заэвтектоидной — на 30—50° выше точки Aс1. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точками Ас1 и Ac3 (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали наряду с закаленными участками будет присутствовать нерастворенный при нагреве (в аустените) феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка с нагревом выше точки Ас3.

В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мартенситу и даже превосходит его, поэтому сталь достаточно нагреть на 30—50 °С выше точки Ас1.

Нагревать заготовки, особенно крупные, нужно постепенно во избежание местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретых заготовок должно быть достаточным, чтобы переход в структуру аустенита полностью завершился.

Скорость охлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданную структуру. Критическая скорость закалки изменяется в широких пределах в зависимости от наличия легирующих компонентов в стали. Для простых сплавов железо—углерод эта скорость очень высока. Присутствие в стали кремния и марганца облегчает закалку на мартенсит, так как для такой стали С-образные кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита будут сдвинуты вправо и критическая скорость закалки понижается.

Наиболее распространено охлаждение заготовок погружением их в воду, в щелочные растворы воды, в масло, расплавленные соли и т. д. При этом сталь закаливается на мартенсит или на бейнит.

При закалке применяют различные способы охлаждения в зависимости от марки стали, формы и размеров заготовки.

Простую закалку в одном охладителе (чаще всего в воде или водных растворах) выполняют, погружая в него заготовки до полного охлаждения. На рис. 2 режим охлаждения при такой закалке характеризует кривая 1.

Для получения наибольшей глубины закаленного слоя применяют охлаждение при интенсивном обрызгивании.

Прерывистой закалкой называют такую, при которой заготовку охлаждают последовательно в двух средах: первая среда — охлаждающая жидкость (обычно вода), вторая — воздух или масло (см. кривую 2 на рис. 2). Резкость такой закалки меньше, чем предыдущей. Рис. 2.

При ступенчатой закалке заготовку быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температуры несколько выше Мн. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от поверхности к сердцевине заготовки, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситном превращении; затем заготовку охлаждают на воздухе (кривая 3 на рис. 2).

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита. Охлаждение ведется до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200—300 °С) в зависимости от марки стали. В качестве охладителя используют соленые расплавы или масло, нагретое до 200—250 °С. При температуре горячей ванны заготовка выдерживается продолжительное время, пока пройдет инкубационный период и период превращения аустенита (кривая 4 на рис. 2). В результате получается структура бейнита, по твердости близкая к мартенситу, но более вязкая и пластичная. Последующее охлаждение производится на воздухе.

При изотермической закалке вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распадения аустенита. Следовательно, по этому методу можно закаливать лишь небольшие (диаметром примерно до 8 мм) заготовки из углеродистой стали, так как массивные заготовки не удается быстро охладить. Это не относится однако к легированным сталям, большинство марок которых имеют значительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (выправления искривлений) заготовок во время инкубационного периода превращения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще пластична.

Закалка при помощи газовой горелки. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки с температурой около 3200 °С направляется на поверхность закаливаемой заготовки и быстро нагревает ее поверхностный слой до температуры выше критической. Вслед за горелкой перемещается трубка, из которой на поверхность заготовки направляется струя воды, закаливая нагретый слой. Этот способ применяется для изделий с большой поверхностью (например, для прокатных валков, зубьев больших шестерен и т. д.).

Закалка токами высокой частоты по методу В. П. Вологдина нашла очень широкое применение в промышленности, так как отличается высокой производительностью, легко поддается автоматизации.

Обработка холодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Холодом обрабатывают углеродистую сталь, содержащую больше 0,5 % С, у которой температура конца мартен-ситного превращения находится ниже 00 С, а также легированную сталь (например, быстрорежущую).

Отпуск стали. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этом в зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита, троостита или сорбита отпуска.

При низком отпуске (нагрев до температуры 150—200 °С) в структуре стали в основном остается мартенсит, который однако имеет другую решетку, как сказано выше. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из пересыщенного твердого раствора углерода в -железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение вязкости стали, а также уменьшение внутренних напряжений в заготовках. Для низкого отпуска, заготовки выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или солевых ваннах. Если для низкого отпуска заготовки нагревают в атмосфере воздуха, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на зачищенной поверхности заготовки. Появление этих цветов связано с интерференцией белого цвета в пленках оксида железа, возникающих на поверхности заготовки при ее нагреве. Для углеродистой стали в интервале температур от 220 до 330 °С в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Для легированной стали соответствующие температуры выше. Низкий отпуск применяют для режущего инструмента из углеродистых и легированных сталей, измерительного инструмента, цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях трения на износ.

При среднем (нагрев в пределах 300—500 °С) и высоком (500—700 °С) отпуске структура мартенсита переходит соответственно в структуру троостита или сорбита. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Средний отпуск применяют при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий—для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, сплавы металлов, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической точки (температуры изменения типа кристаллической решетки, то есть полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве. Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду и тд. Материал, подвергшийся закалке, приобретает бо́льшую твёрдость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твёрдости и прочности материала [1] .

Внутренние напряжения снимаются отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Существенный вклад в развитие способов закалки внёс Чернов Дмитрий Константинович. Он обосновал и экспериментально доказал, что для получения стали высокого качества решающим фактором является не ковка, как это предполагалось ранее, а термическая обработка. Он определил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. В 1868 году Чернов открыл критические точки фазовых превращений стали, названные точками Чернова. В 1885 году он открыл, что закалку можно производить не только в воде и масле, но и в горячих средах. Это открытие послужило началом применения ступенчатой закалки, а затем исследованию изотермического превращения аустенита [2] .

Содержание

Типы закалок [ править | править код ]

По полиморфному превращению

• Закалка с полиморфным превращением, для сталей
• Закалка без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

По температуре нагрева Полная — материал нагревают на 30 — 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK , в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. Неполная — производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей.

Закалочные среды [ править | править код ]

При закалке для переохлаждения аустенита до температуры мартенситного превращения требуется быстрое охлаждение, но не во всём интервале температур, а только в пределах 650—400 °C, то есть в том интервале температур, в котором аустенит менее всего устойчив и быстрее всего превращается в ферритно-цементитную смесь. Выше 650 °C скорость превращения аустенита мала, и поэтому смесь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

Механизм действия закалочных сред (вода, масло, водополимерная закалочная среда, а также охлаждение деталей в растворах солей) следующий. В момент погружения изделия в закалочную среду вокруг него образуется плёнка перегретого пара, охлаждение происходит через слой этой паровой рубашки, то есть относительно медленно. Когда температура поверхности достигает некоторого значения (определяемого составом закаливающей жидкости), при котором паровая рубашка разрывается, то жидкость начинает кипеть на поверхности детали, и охлаждение происходит быстро.

Первый этап относительно медленного кипения называется стадией плёночного кипения, второй этап быстрого охлаждения — стадией пузырькового кипения. Когда температура поверхности металла ниже температуры кипения жидкости, жидкость кипеть уже не может, и охлаждение замедлится. Этот этап носит название конвективного теплообмена.

Способы закалки [ править | править код ]

• Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.
• Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).
• Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.
• Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.
• Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.
• Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объёмным, а поверхностным процессом.
• Закалка ТВЧ (индукционная) — закалка токами высокой частоты — деталь помещают в индуктор и разогревают за счет наведения в ней токов высокой частоты.

Дефекты [ править | править код ]

Дефекты, возникающие при закалке стали. [3]

• Недостаточ­ная твердость закаленной детали — следствие низкой тем­пературы нагрева, малой выдержки при рабочей температуре или недостаточной скорости охлаждения. Исправление де­фекта: нормализация или отжиг с последующей закалкой; при­менение более энергичной закалочной среды.
• Перегрев связан с нагревом изделия до температуры, значительно превышающей необходимую температуру нагрева под закалку. Перегрев сопровождается образованием крупнозернистой структуры, в результате чего повышается хрупкость стали. Исправление дефекта: отжиг (нормализация) и последующая закалка с необходимой температурой.
• Пережог возникает при нагреве стали до весьма высоких температур, близких к температуре плавления (1200—1300° С) в окислительной атмосфере. Кислород проникает внутрь стали, и по границам зерен образуются окислы. Такая сталь хрупка и исправить ее невозможно.
• Окисление и обезуглероживание стали ха­рактеризуются образованием окалины (окислов) на поверхности дета­лей и выгоранием углерода в поверхностных слоях. Этот вид брака термической обработкой неисправим. Если позволяет припуск на механическую обработку, окисленный и обезуглероженный слой нужно удалить шлифованием. Чтобы предупредить этот вид брака, детали рекомендуется нагревать в печах с защитной атмосфе­рой.
• Коробление и трещины — следствия внутренних напряжений. Во время нагрева и охлаждения стали наблюдаются объемные изменения, зависящие от температуры и структурных пре­вращений (переход аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема до 3%). Разновременность превращения по объему за­каливаемой детали вследствие различных ее размеров и скоростей охлаждения по сечению ведет к развитию сильных внутренних нап­ряжений, которые служат причиной трещин и коробления деталей в процессе закалки.

Термообработка стальных сплавов – нагрев сплава до установленного температурного значения с последующей выдержкой и охлаждением. Данный вид обработки позволяет получить сталь с заданными характеристиками (однородная микроструктура, твердость, вязкость и пр.)

Классическая термообработка стали.

Часто термическим способом обрабатывают полуфабрикаты и готовые изделия.

Существует следующие этапы обработки стальных сплавов:

1. Вначале проводят отжиг детали.
2. Далее нормализуют сталь.
3. Важным этапом является закалка.
4. Завершает операцию отпуск стали.

Назначение и виды отжига.

Отливка, ковка, прокатка, сварка стали сопровождаются ее неравномерным охлаждением. Это приводит к образованию структурных и химических неоднородностей, внутренних напряжений. Детали приобретают неоднородные свойства.

Отжиг необходим для их коррекции. Цель операции – добиться равновесной, устойчивой структуры в стали.

В результате отжига снижается внутреннее напряжение, металл становится менее прочным, но более пластичным и вязким. Это упрощает процессы его обработки резкой и давлением, корректирует структуру сварных швов, подготавливает заготовку к дальнейшей термообработке. Охлаждают металл при отжиге медленно: от 300 до 1000 С в час.

Отжиг включает следующие режимы.

I. Отжиг I-го рода. Применяют, когда нет необходимости менять фазовый состав.

1. Диффузионный
2. Рекристаллизационный
3. Снимающий напряжения

II. Отжиг II-го рода. Используют, когда нужно поменять фазовый состав металла.

1. Неполный
2. Полный
3. Изотермический
4. Сфероидизирующий (другие названия: циклический, маятниковый, на зернистый перлит)

Нужный режим выбирают исходя из состава сталей и требований к их технологическим и механическим характеристикам.

Назначение нормализации

Нормализация стали представляет собой нагрев до температур, превышающих критические на 30-500 С с дальнейшим понижением температуры до 20 — 250 С на воздухе.
В доэвтектоиднгых конструкционных сталях ( с содержанием углерода 0,025-0,8%) при нормализации происходит уменьшение размера феррита и перлита. Это увеличивает прочность стали после отжига.

В заэвтектоидных инструментальных сталях (с содержанием углерода более 0,8%) разрушается цементитная сетка, окружающая перлитные зерна. Это снижает хрупкость стали, подготавливает ее к закалке.

Назначение и виды закалки

Закаливают сталь для улучшения ее характеристик. В частности, металл становится более прочным и твердым, стойким к механическому износу. Закалке подвергают стали, в которых содержание углерода выше 0,25%.

Виды закалки стали.

1. В 1-ой закалочной среде (масло либо вода).
2. В 2-х закалочных средах (в воде и масле).
3. Ступенчатая.
4. Изотермическая.

I-й способ

широко распространен в сталелитейном производстве, но применим не ко всем сталям. Некоторые металлы при резком охлаждении в воде трескаются. У некоторых сортов при охлаждении в масле закалка не происходит. Одноступенчатая закалка в одной среде допустима для изделий простой формы, к которым не предъявляют повышенных требований по прочности.

II-й способ

практически исключает возникновение трещин и позволяет получить качественную мартенситную сталь. Сперва деталь погружают в воду, далее — в масло.

Ступенчатая закалка

Для мелких изделий применяют закалку ступенчатым методом. Изделия нагревают, помещают в щелочной расплав (от 3500 до 4000 С). (Мартенсит образуется при температуре порядка 3000 С). Выжидают некоторое время, достаточное для выравнивания температуры внутри изделия. Легированные стали охлаждают в минеральном масле, нелегированные могут погружать в воду. Данный способ обеспечивает необходимую твердость, а вероятность появления трещин и напряжений стремиться к нулю.

Изотермическая закалка

Изотермическую закалку проводят аналогично ступенчатой, но выдерживая металл в щелочи до тех пор, пока аустенит полностью не распадется на бейнит. Преимущество метода в полном отсутствии внутренних напряжений. Данная закалка не требует отпуска. Метод пригоден для обработки сложных деталей, подверженных деформациям и трещинам.

Характеристика твердости стали, подвергнутой закалке при соблюдении технологии, выражается в единицах твердости и называется закаливаемостью. С увеличением процентного содержания углерода увеличивается твердость стального сплава. Влияние лигирующих компонентов на показатель твердости стали ничтожно мало. Лигирование определяет иные характеристики (устойчивость к коррозии и пр.).

Другая важная величина, определяющая характеристики металла – прокаливаемость, мм. Она показывает глубину, на которую данный сорт стали можно закалить — расстояние между внешним диаметром и полумартенситной зоной.

Закалка стального сплава в заводских условиях

Назначение и типы отпуска

Отпуск применяют, чтобы снять внутренние напряжения, ухудшающих свойства изделий. Стальной сплав нагревают, выдерживают и охлаждают. Чтобы максимально снять все виды напряжения, необходимо произвести нагрев до высокой температуры, выдержать длительное время и медленно охладить. К внутренним напряжениям относят: осевые, радиальные, тангенциальные. В результате изделие приобретает оптимальное соотношение прочности и вязкости.
Виды отпуска:
1. Низкотемпературный (до 2500 С). Применяют для повышения прочности и вязкости при сохранении твердости сплава (HRC остается в пределах от 58 до 63). Стали отпущенные при такой температуре обладают высокой стойкостью к статическим и низкой стойкостью к динамическим нагрузкам.

2. Среднетемпературный режим (350-5000 С). Используется, когда необходимо значительно повысить предел упругости, релаксационную стойкость и динамическую выносливость. Твердость сплава при этом заметно уменьшается до HRC в пределах от 40 до 50. Такой отпуск нужен для пружин, рессор и пр.

3. Высокий (высокотемпературный). Проводят при температурах свыше 5000 С. Данный вид обработки улучшает показатели прочности, текучести и ударной вязкости. Твердость стали и износостойкость останутся прежними.

Термическая обработка стали методом ТВЧ (током высокой частоты)

Тепловая обработка ТВЧ происходит за счет индукционного нагрева стального изделия, которое помещают вблизи индуктора. При этом в детали возникает ЭДС. Под ее воздействием по детали начинает движение переменный ток, частота которого равна частоте индуктора. Сама деталь при этом разогревается.

При индукционной термообработке деталей необходимо учитывать скин эффект – индуцирование высокочастотного тока преимущественно на поверхности и в подлежащих слоях изделия. Уменьшая частоту тока можно увеличивать глубину прогрева.

Высокая частота позволяет создать значительную мощность, в зоне прохождения тока. Как следствие, в этой области происходит скоростной нагрев. За секунду температура повышается до 5000 С.

Меняя силу тока, мощность, напряжение генератора и время обработки детали можно установить оптимальный режим закалки. При необходимости, пирометрами дополнительно снимают температуру нагрева сплава. Диагностируют качество закалки лабораторным путем. Аналогично классическим методам, в недогретом образце доэвтектоидных стальных изделий обнаруживают феррит, в перегретом – мартенситные крупноигольчатые вкрапления.

Высокочастотная закалка вызывает нагрев металла до температур, которые несколько выше температурных показателей классической термообработки. Но за счет того, что продолжительность воздействия мала, в сплаве не успевают образоваться зерна. Сам сплав отличается высоким показателем твердости (HRC превышает стандартное значение единицы на 3) твердостью поверхности, износостойкостью.

Область применения, способы и преимущества индукционной закалки

ТВЧ обработку преимущественно применяют для сталей с содержанием углерода не более 0,5%. Высокоуглеродистые стали при резком охлаждении имеют тенденцию к образованию трещин.

Индукционную закалку выполняют следующими методами.

1. Непрерывно-последовательный. Используют для деталей с фиксированным сечением (оси, валы и пр.). Деталь движется в индукторе. Один участок подвергается закалке, затем перемещается в зону охлаждения спрейерным способом (водный душ или поток воздуха).
2. Одновременная закалка. Используется для одновременной закалки всей поверхности.

Посредством регулировки температуры охладителя и времени его воздействия запускается процесс самоотпуска сплава. Т.е. данный способ закалки позволяет экономить на отпуске стали.