Способы охлаждения сталей материаловедение

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

1. Нагрев металла до определенной температуры. Выдержка для выравнивания по всей глубине детали.
2. Быстрое охлаждение.
3. Отпуск для снятия напряжений и коррекции твердости до заданного значения.

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

• увеличивается твердость и прочность;
• уменьшается зерно;
• снижается гибкость и пластичность;
• повышается хрупкость;
• увеличивается устойчивость к стиранию;
• уменьшается сопротивление на излом.

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

1. Нормализация для улучшения структуры.
2. Нагрев до температуры закалки.
3. Опускание в ванну с селитрой, прогретой до 300–350⁰, и выдержка в ней.

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

• одна часть под закаливаемым изделием;
• две сверху.

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

1. На оправку навить медную проволоку. Для домашнего напряжения подойдет сечение 0,8 мм. Оставить длинные концы.
2. Расположить спираль внутри кирпичей и зафиксировать глиной, обмазав всю внутреннюю поверхность.
3. Внутри сделать поддон — площадку для расположения заготовок. Для этого нужно смешать глину с асбестом.
4. Теплоизолирующий материал можно расположить и снаружи, уменьшая теплоотдачу стенок.
5. Подключить концы проволоки к проводам с вилкой.
6. Сзади герметично заделать отверстие между кирпичами.
7. Впереди соорудить крышку, которая будет открываться.

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Источник

Способы охлаждения сталей материаловедение

Технология процесса и способы закалки стали

Все о технологии закалки стали: что это такое, для чего нужно, какие способы существуют. Температуры, которым подвергается металл. Как изменяются свойства стали. Методы нагрева и среды охлаждения. Оборудование для термообработки. Дефекты при закалке.

Закалка стали проводится для повышения ее твердости, прочности и износостойкости. Это один из видов термической обработки, при котором металл сначала нагревается до температур, изменяющих его структурное состояние, а затем охлаждается таким образом, чтобы он приобрел требуемый физико-химический состав и необходимую кристаллическую структуру. Существует множество способов закалки стали, приводящих к различным результатам, но все они состоят из двух основных циклов: нагрева до критической точки и охлаждения с определенной скоростью до заданной температуры. Еще одна технологическая операция, используемая в процессе закалки металлов, — это отпуск, при котором структурные изменения происходят после нагрева до невысокой температуры с медленным охлаждением. Возможность изменения характеристик стали посредством закаливания во многом связана с ее изначальной кристаллической структурой и химическим составом, в котором самыми важными компонентами являются углерод и легирующие добавки. Именно они определяют, какой будет форма, размер и конфигурация элементов структуры стали после ее термической обработки.

Какие металлы подлежат калению

Закалка металла — это термическая обработка, которой чаще всего подвергаются углеродистые и легированные стали с целью повышения их твердости и улучшения прочностных характеристик. Несколько реже встречается термообработка цветных металлов, в частности отпуск, отжиг и закалка меди, латуни и бронзы, а также сплавов алюминия и титана. Необходимо отметить, что закаливание этих соединений в отличие от углеродистых сталей не всегда приводит к их упрочнению, некоторые сплавы меди после этого, наоборот, становятся более пластичными и мягкими. Гораздо чаще изделия из цветных металлов подвергаются отпуску для снятия напряжения после отливки, штамповки, прокатки или волочения.

Свойства стали после закалки

Углеродистая сталь в процессе нагрева проходит через ряд фазовых изменений своей структуры, при которых меняется ее состав, а также форма и элементов кристаллической решетки. При критической температуре 723 °C в еще твердом металле начинается распад цементита (карбида железа) и формирование равномерного раствора углерода в железе, который называется аустенит. Это состояние углеродистой стали является исходным для закалки.

При медленном охлаждении аустенит распадается, и металл возвращается в исходное состояние. Если же сталь охлаждать быстро, то аустенит не успевает изменяться, и при определенной скорости охлаждения и пороговых температурах формируются кристаллические решетки и химические составы, придающие ей различные эксплуатационные свойства. Этот процесс называется закалкой, и каждому его виду соответствует определенная структура уже закаленной стали, обладающей определенными техническими характеристиками. Основные фазовые состояния, имеющие значения при закалке, — это перлит, сорбит, троостит и мартенсит (см. рис. ниже).

Самая высокая твердость у стали, закаленной до состояния мартенсита. Таким способом производят закаливание режущего инструмента, а также осуществляют упрочнение поверхностей деталей, подвергающихся в процессе работы трению (втулки, обоймы, валы, шестерни и пр.). После выполнения закалки на троостит сталь становится одновременно твердой и упругой. Этой вид термообработки применяют к ударному инструменту, а также рессорам и пружинным амортизаторам. Для получения таких свойств стали, как стойкость к износу, упругость и вязкость, используют закалку до состояния сорбита. Такая термообработка используется для рельсов и других конструктивных элементов, работающих под постоянной динамической нагрузкой. Перечисленные фазовые состояния свойственны всем углеродистым сталям, но каждая их марка характеризуется своими температурными диапазонами и скоростями охлаждения.

Классификация каления стали

Закаливание в одной среде

Ступенчатая закалка

Ступенчатое закаливание проходит в два этапа. На первом изделие помещается в среду с температурой, превышающей на несколько десятков градусов точку начала возникновения мартенсита. После того, как температура выравнивается по всему объему металла, деталь медленно охлаждается, в результате чего в нем равномерно формируется мартенситная структура.

Изотермическая закалка

При изотермическом закаливании изделие также выдерживается в закалочной ванне при температуре, превышающей точку мартенсита, но несколько дольше. В результате этого аустенит трансформируется в бейнит — одну из разновидностей троостита. Такая сталь сочетает в себе повышенную прочность с пластичностью и вязкостью. Кроме того, после изотермической закалки в изделии снижаются остаточные напряжения.

Закалка с самоотпуском

Светлая закалка

Светлая закалка применяется для стальных изделий, поверхности которых при термообработке не должны подвергаться окислению. При такой термообработке сталь нагревается в вакуумных печах (см. фото ниже) или в инертных газовых средах (азот, аргон и пр.), а охлаждается в неокисляющих жидкостях или расплавах. Этим способом закаливают изделия, которые не должны подвергаться дальнейшей шлифовке, а также детали, критичные к содержанию углерода в поверхностном слое.

Оборудование для термообработки сталей

• муфельные термопечи;
• устройства индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• газоплазменные установки;
• аппараты лазерной закалки.

Первые три вида могут выполнять прогрев всего объема изделия до требуемой температуры, а последние — только поверхностного слоя металла. Кроме того, выпускаются и широко используются печи для закалки металлов, в которых нагрев осуществляется в вакууме или в среде инертного газа.

ПОСМОТРЕТЬ Индукционный нагреватель на AliExpress от 7 506 рублей →

Закалочные ванны представлены стальными емкостями-охладителями для различных жидкостей, а также специальными тиглями из графита и печами для расплавов солей или металлов. В качестве закалочных жидкостей чаще всего используют минеральное масло, воду и водополимерные смеси. Для расплавов металлов обычно применяют свинец или олово, а для расплавов солей — соединения натрия, калия и бария. Закалочные ванны для жидких сред имеют системы нагрева и охлаждения рабочей жидкости до требуемой температуры, а также мешалки для равномерного распределения жидкости и разрушения паровой рубашки.

Температура для закалки

Марка стали	Температура, С
закалки	отжига	отпуска
15Г	800	780	200
65Г	815	790	400
15Х, 20Х	800	870	400
30Х, 35Х	850	880	450
40Х, 45Х	840	860	400
50Х	830	830	400
50Г2	805	830	200
40ХГ	870	880	550
ОХ13	1050	860	750
3Х13	1050	880	450
35ХГС	870	860	500
30ХГСА	900	860	210
У7, У7А	800	780	170
Р9, Р12	1250	860	580
Р9Ф5, Р9К5	1250	860	590
Р18Ф2	1300	900	590
ШХ15	845	780	400
9ХС	860	730	170
Р18К5Ф2	1280	860	580
1Х14Н18Б2БРГ	1150	860	750
4Х14Н1482М	1200	860	750

Определение температуры нагрева в промышленном производстве осуществляется посредством контактных и бесконтактных пирометров. В последние десятилетия широкое распространение получили инфракрасные приборы, позволяющие дистанционно замерять температуру в любой точки поверхности нагретой детали. Кроме того, приблизительную температуру разогрева стали можно определить по цветовым таблицам.

Технология каления металла

От скорости и температурных параметров охлаждения стали, разогретой выше критической точки, напрямую зависит процесс формирования структуры и состава закаленного металла. К примеру, при быстром охлаждении в воде с комнатной температурой можно получить углеродистую сталь с мартенситной структурой, а при охлаждении в масле или горячей воде получается троостит. Каждой марке стали соответствуют свои характеристики и температурные режимы закалки, которые, помимо прочего, зависят от размера и формы детали. Поэтому на производстве термическая обработка деталей проводится в соответствии с маршрутной технологией и операционными картами, разрабатываемыми для каждого изделия.

Способы охлаждения

1. Охлаждение в одном компоненте. Изделие погружается в жидкость и остается в ней до полного остывания.
2. Прерывистая закалка в двух охладителях. Изделие сначала помещают в быстроохлаждающую жидкость, а после достижения заданной температуры переносят в среду с медленным охлаждением.
3. Струйное охлаждение. Разогретая деталь интенсивно орошается потоком охладителя (см. фото ниже).
4. Обдув. Поверхность изделия обдувается потоком воздуха или инертного газа.

При практическом применении закалки все эти виды охлаждений могут иметь различные вариации или комбинироваться друг с другом.

Среды охлаждения

№	Структура	Среда охлаждения	Твердость (HBW)
1	Мартенсит	Холодная вода	500÷750
2	Троостит	Масло	350÷500
3	Сорбит	Воздух	250÷350
4	Перлит	С остыванием печи	150÷250

Влияние скорости охлаждения на конечный результат

При закалке стали охлаждение должно идти со скоростью, предотвращающей распад аустенита на феррит и карбид железа, которое начинает происходить при температуре ниже 650 °C. Дальнейшее снижение температуры следует проводить медленнее, т. к. такая скорость обеспечивает уменьшение внутренних напряжений стали. Быстрое и полное охлаждение в холодной воде позволяет получить мартенсит, который обладает максимальной твердостью, но довольно хрупок. При быстром понижении температуры на 200÷300 °C распад аустенита прекращается, а дальнейшее более медленное охлаждение формирует в стали фазовые состояния с меньшей твердостью, но обладающие повышенной прочностью и износостойкостью. Скорость охлаждения регулируется видом используемой закалочной среды и ее температурой (см. таблицу ниже).

№	Среда охлаждения	Скорость охлаждения (град/сек)
1	Воздух	5
2	Минеральное масло	150
3	Вода при комн. t°	700
4	Вода при 80 °C	1400
5	10%-й р-р хлористого натрия	2100
6	10%-й р-р едкого натра	1600

Отличия закаливаемости от прокаливаемости

Дефекты при закаливании стали

Причиной возникновения дефектов при закалке стали является ряд физических и химических факторов, возникающих при отклонении от заданных параметров термического процесса или из-за неоднородности закаливаемой заготовки. Неравномерный нагрев или охлаждение изделия может привести к его деформации и возникновению внутренних трещин. Эта же причина может вызвать неодинаковость фазовых превращений в различных частях изделия, в результате чего металл будет иметь неоднородную по составу и твердости структуру. Пережог стали происходит вследствие проникновения кислорода в поверхностный слой металла, что приводит к возникновению окислов, разъединяющих его структурные элементы и изменяющих физические свойства поверхностного слоя. Причиной обезуглероживания при закалке стали является выгорание углерода при попадании в печь избыточного количества кислорода. Эти виды дефектов неисправимы, а единственный способ борьбы с ними — это проверка герметичности печи или закалка в вакууме и инертных газах.

Окалины и критическое снижение концентрации углерода при калении

Даже небольшая концентрация кислорода в закалочной печи приводит к появлению поверхностной окалины, которая является следствием окисления металла при его термообработке. Эта же причина может вызвать уменьшение количества углерода в поверхностном слое заготовки. Полностью избавиться от таких явлений можно только путем применения вакуумных печей, обеспечивающих так называемую светлую закалку, а также при нагреве изделия в среде азота или аргона. Для минимизации окисления и обезуглероживания закалочная печь должна быть максимально герметичной, что в какой-то мере ограничивает приток кислорода в ее рабочее пространство.

Для закалки металлов рекомендуют использовать трансформаторное или индустриальное масло И-20. Частнику достать его непросто, поэтому хотелось бы услышать в комментариях к этой статье ваше мнение о возможности использования для закаливания стали отработанного автола или другого автомобильного масла.

Источник