Придание стали прочности путем закаливания

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.

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.

Виды закалки стали

Способов закаливания металла существует множество. Их выбор обусловлен составом стали, характером изделия, необходимой твердостью и условиями охлаждения. Часто используется ступенчатая, изотермическая и светлая закалка.

Закаливание в одной среде

Обратившись к графику кривых охлаждения для различных способов закалки, можно видеть, что закалке в одной среде соответствует кривая 1. Выполнять такое закаливание просто. Однако, подойдет она не для каждой стальной детали. Из-за быстрого понижения температуры у стали переменного сечения в температурном интервале возникает температурная неравномерность и большое внутреннее напряжение. От этого стальная деталь может покоробиться и растрескаться.

Рисунок №2. Кривые охлаждения.

Большое содержание углерода в стальных деталях может вызвать объемные изменения структурных напряжений, а это, в свою очередь, грозит появлением трещин.

Заэвтектоидные стали, имеющие простую форму, лучше закаливать в одной среде. Для закалки более сложных форм применяется закалка в двух средах или ступенчатая закалка.

Закаливание в двух средах (на рисунке №2 это кривая 2) применяется для инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой стали. Сам метод состоит в том, что сталь вначале охлаждается в воде до 300-400 градусов, после чего ее переносят в масляную среду, где она прибывает пока полностью не охладится.

Ступенчатая закалка

При ступенчатом закаливании (кривая 3) стальная деталь помещается вначале в соляную ванну. Температура самой ванны должна быть выше температуры, при которой происходит мартенситное превращение (240–250 градусов). После соляной ванны сталь перемешают в масло, либо на воздух. Используя ступенчатою закалку можно не бояться, что деталь покоробится или в ней образуются трещины.

Недостаток такой закалки заключает в том, что ее можно применять лишь для заготовок из углеродистой стали с небольшим сечением (8–10 мм). Ступенчатая закалка может применяться для деталей из легированной стали с большим сечением (до 30 мм).

Изотермическая закалка

Изотермическому закаливанию на графике соответствует кривая 4. Закаливание проводится аналогично ступенчатой закалке. Однако, в горячей ванне сталь выдерживается дольше. Это делается так, чтобы вызвать полный распад аустенита. На схеме выдержка показывается на S-образной линии точками a и b. Сталь, прошедшая изотермическую закалку, может охлаждаться с любой скоростью. Средой охлаждения могут служить расплавленные соли.

Преимущества изотермического закаливания:

• сталь почти не поддается короблению;
• не появляются трещины;
• вязкость.

Светлая закалка

Для проведения такого закаливания требуется специально оборудованная печь, снабженная защитной средой. На производстве, чтобы получить чистую и светлую поверхность у закаленной стали следует использовать ступенчатую закалку. После нее сплав охлаждается в расплавленной едкой щелочи. Перед процессом закалки стальная деталь нагревается в соляной ванне из хлористого натрия с температурой на 30–50 градусов выше точки Ас1 (см «Схему критических точек»). Охлаждение детали проходит в ванне при 180–200 градусов. Охлаждающей средой служит смесь состоящая из 75% смесь едкого калия, 25% едкого натрия, в которую добавляется 6–8% воды (от веса соли).

Закалка с самоотпуском

Применяется при производстве инструментальной стали. Основная идея закалки заключается в изъятии стальной детали из охлаждающей среды до момента ее полного охлаждения. Изъятие происходит в определенный момент. В сердцевине стальной детали сохраняется определенное количество тепла. За его счет и производится последующий отпуск. После того как за счет внутреннего тепла стальное изделие достигнет нужной температуры для отпуска, сталь помещают в закалочную жидкость, для окончательного охлаждения.Р исунок №3 — Т аблица побежалости.

Отпуск контролируется по цветам побежалости (см рисунок №3), которая формируется на гладкой поверхности металла при 220–330 градусах.

При помощи закалки самоотпуском изготавливаются кувалды, зубила, слесарные молотки и другие инструменты, от которых требуется высокая твердость на поверхности с сохранением внутренней вязкости.

Способы охлаждения при закаливании

При быстром охлаждении стальных изделий при закалке существует угроза возникновений больших внутренних напряжений, что приводит к короблению материала, а иногда и трещинам. Для того чтобы этого избежать там, где возможно, стальные детали лучше охлаждать в масле. Углеродистую сталь, для которой такое охлаждение невозможно, лучше охлаждать в воде.

Кроме среды охлаждения на внутренне напряжение изделий из стали влияет, каким образом они погружаются в охлаждающую среду. А именно:

• изделия, имеющие толстую и тонкую часть, лучше погружать в закалочную жидкость сначала объемистой частью;
• если изделие имеет вытянутую форму (сверла, метчики), нужно погружать строго вертикально, в противном случае они могут покоробиться.

Иногда требуется закалить не всю деталь, а только ее часть. Тогда применяется местная закалка. Изделие нагревается не полностью, зато в закалочную жидкость погружают всю деталь.

Особенности технологии

Можно выделить 3 основных этапа термической обработки стали:

Отжиг. Для начала проводится нагрев структуры до температуры, которая выбирается в зависимости от типа закаливаемого материала (для У7 +780°С). После нагрева металл оставляют в печи для медленного охлаждения.
Закалка. После выполнения отжига наступает этап закалки. В зависимости от типа металла температура нагрева может варьировать в пределах +800…+1000°С и выше. В домашних условиях можно достигнуть лишь показателя +800°С или чуть выше. Нагрев проводится до момента, пока металл не станет полностью красным, при этом графит и вся кристаллическая решетка перестраивается. Охлаждение может проходить в воде, но лучше использовать масло, что позволит снизить вероятность появления серьезных дефектов в структуре. При этом следует учитывать, что при нагреве масла может образовываться дым и другие продукты горения, которые вредны для человека.
Отпуск. За счет отпуска можно существенно снизить хрупкость структуры, при этом изделие выдерживается в духовке на протяжении 1 часа или более при температуре не выше +320°С

Важно учитывать, что на этом этапе не должно происходить перестроение кристаллической решетки, т. к

сильный нагрев может привести к снижению твердости поверхностного слоя.

Закалка ножа в домашних условиях осуществима, этого потребуется обычная печь, место для проведения работы, а также емкость с маслом или водой для охлаждения металла.

Много внимания уделяется выбору способа охлаждения стали. Различают следующие методы:

• Применение одной среды.
• Охлаждение при использовании двух жидкостей.
• Струйный метод снижения температуры поверхности металла.
• Метод ступенчатого охлаждения, применяемый для снижения напряжений в структуре материала.

При проведении закалки в домашних условиях следует учитывать, что слишком быстрое охлаждение становится причиной повышенной хрупкости структуры

Важно обеспечивать равномерное охлаждение, что позволяет получить равномерную структуру

При работе с раскаленной сталью следует соблюдать осторожность. Нельзя проводить подобные работы вблизи легковоспламеняющихся материалов

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.

Выбор охлаждающей среды

От выбора зависит качество детали:

• для охлаждения простых деталей и изделий, изготовленных из углеродистых сталей применяют чистую воду;
• для изделий сложных форм в качестве охладителя используют каустическую соду, смешанную с водой в соотношении 1:1. Приготовленный раствор нагревают до 50-60 градусов;
• закалка металла в масле применима к тонкостенным деталям из легированных или углеродистых сталей.

Углеродистую сталь, имеющую сложный состав, остужают в двух охладителях — сначала быстро в чистой воде, а затем медленно в ванне, наполненной маслом. Перемещать детали из воды в масло нужно очень быстро.

Классификация каления стали

Виды закалки сталей классифицируют по типу источника нагрева и способу охлаждения металла. Основным оборудованием для нагрева деталей перед закаливанием по-прежнему являются муфельные печи, в которых можно равномерно разогревать металлические изделия любых размеров. Высокую скорость нагрева при поточной обработке изделий обеспечивает закалка с применением токов высокой частоты (индукционная закалка сталей) (см. фото ниже). Для закаливания верхних слоев стальных изделий применяют довольно недорогую и эффективную газопламенную закалку, главный недостаток которой — невозможность точно задать глубину прогрева. Этих недостатков лишена лазерная закалка, но ее возможности ограничены небольшой мощностью источника излучения. Способы охлаждения закаливаемой детали обычно классифицируют по виду охлаждающей среды, а также совокупностям и циклам рабочих операций. Некоторые из них включают процедуры отпуска, а для других, таких как разные виды изотермической закалки, он не нужен.

Закаливание в одной среде

При таком способе закалки нагретое до заданной температуры изделие из стали помещают в жидкость, где она остается до полного остывания. В качестве закалочной среды для углеродистых сталей используют воду, а для легированных — минеральное масло. Недостаток этого метода заключается в том, что после такого закаливания в металле сохраняются значительные напряжения, поэтому в ряде случаев может потребоваться дополнительная термообработка (отпуск).

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

Этот вид термообработки используется для закаливания ударного инструмента, который должен обладать твердым поверхностным слоем и вязкой серединой. Его особенность заключается в том, что изделие извлекается из закалочной емкости при неполном охлаждении. В этом случае его внутренняя часть еще содержит достаточное количество тепла, чтобы прогреть весь объем металла до температуры отпуска. Так как повторный нагрев изделия осуществляется без внешнего воздействия за счет внутренней тепловой энергии, такой вид термической обработки называют закалкой 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.

Режимы охлаждения при закалке

Наиболее изученными вопросами в материаловедении являются связь химического состава со структурой металла при определенных температурах. Наиболее слабо изученное направление в технологии упрочнения это методы, условия и режимы охлаждения. Между тем именно в охлаждении кроются большие резервы управления структурой и свойствами металла в готовых изделиях.

Основной вопрос упрочнения, это с какой скоростью охлаждать? Казалось бы, охлаждай максимально быстро — получится максимальная твердость, но при этом повышенные внутренние напряжения приведут к образованию трещин на деталях. Так называемые, и всем термистам хорошо знакомые, закалочные трещины. Охлаждая медленно — не достигнешь необходимой твердости и деталь надо будет отжигать, а затем проводить повторную термообработку. Каждая марка стали имеет свою «критическую» скорость охлаждения, которая обеспечивает максимальную твердость и не приведёт к растрескиванию. Например, сталь 45Х, в зависимости от типа охладителя, можно закалить на HRC 45 или на HRC 60. Что бы «выжать» из стали максимальную твердость необходимо охлаждать с максимально близкой к критической скорости, для конкретной марки стали и типа заготовки. Отсюда можно сделать простой вывод, что скорость охлаждения должна быть регулируемая. Широко применяемых скоростей охлаждения всего две: это скорость охлаждения в воде и в масле. Даже учитывая, что скорость охлаждения можно, в небольшом диапазоне, регулировать температурой и циркуляцией закалочной жидкости, то все равно критическую скорость закалки можно не получить.

Водяные и масляные среды могут обеспечивать «критическую» скорость закалки только в некоторых вариантах применения. К тому же, если с водой работать относительно просто, то закалка на масло имеет специфические особенности и недостатки:

• — недостаточная скорость охлаждения, для некоторых марок сталей;
• — способность возгораться, выделять вредные пары, дым, коксоваться на стенках воздухопроводов и т.д.,
• — хорошее смачивание поверхностей и как следствие большой вынос масла с заготовками, испарение;
• — изменение химического состава под воздействием высоких температур;
• — необходимость промывки заготовок в моющих растворах с дальнейшей регенерацией масляных пленок.

Недостатки традиционных вариантов закалки способствовали поиску более оптимальных закалочных сред и приемов закалки, хотя бы для некоторых вариантов заготовок и сплавов. В результате появилось несколько вариантов технологий закалки и сред, лучше подходящих для некоторых видов изделий. Наибольшее распространение получили жидкие полимерные концентраты в соединении с водой. Впервые в Советском союзе данная технология появилась в 1980г.

Характеристики водо-полимерных соединений

Водо-полимерные составы представляют собой смесь воды и полимеров в определенных соотношениях. Полимерами называются химические соединения, образованные длинными цепочками макрочастиц, получаемых соединением микрочастиц — мономеров. Такая реакция называется полимеризация. Смешивание воды и полимеров позволяет получить стабильную охлаждающую жидкость с регулируемой теплоёмкостью, а значит и охлаждающей способностью.

Основой состава охлаждающей жидкости является вода, пусть даже с измененными свойствами. Поэтому имеются ограничения на использование водо-полимерных жидкостей. Данные среды не рекомендуется использовать для закалки высоколегированных инструментальных и штамповых марок сталей, а также деталей сложной формы или с переменным сечением.

В качестве исходного концентрата полимера применяется полиакриловая соль железа марки ПК-М. Этот полимер оказался дешевым и имел преимущества относительно других, схожих по составу, полимеров. Изначально охлаждающие среды с применением полимеров были предназначены для замены масла с целью устранения возгораемости. Уже вскоре разработали материалы, которые превзошли масло по эффективности, для некоторых изделий. Обнаружились и другие преимущества водо-полимерных закалочных сред.

  Усредненные результаты охлаждения в различных средах

Характеристика	Масло И-20	Среда ПК-М
Твердость	(HB ≤ 363)	302 – 311
Коэффициент закручивания	(доп. 66-89)	76 – 82
Сопротивление на разрыв (доп. нагрузка 34-41 тс)	34,6 – 36,0	35,4 – 37,4
Сопротивление на разрыв по косой шайбе (доп. 34-42 тс)	34,6 – 36,4	36,2 – 37,0
Относительное удлинение (не менее 8,0)	14 – 17	9,6 – 12,0
Относительное сужение (не менее 40,0)	53 – 59	50 – 53
Ударная вязкость (не менее 0,5 МПа)	6,6 – 7,3	5,5 – 6,7

Проверка твердости после закаливания металла в домашних условиях

Привычное для всех в обиходе слово является точным термином и применяется преимущественно к цельным изделиям. Для проверки в поверхность вдавливается шарик или конус из инструментальной стали, а дальше по формулам производится расчет в зависимости от того, насколько глубокий след остался и какая сила была приложена. Есть еще один вариант – прибор Роквелла, но его использование дома или в квартире практически невозможно.

Единица измерения твердости – HRC. Для сравнения значений:

• нож кухонный, крепкий, дорогой — от 55 до 63;
• мелкие шестеренки в машинух — от 52 до 58;
• наконечники, инструменты для дрели, сверла — от 60 и выше.

Характеристики стали: закаливаемость и прокаливаемость

Не следует смешивать важные характеристики стали — закаливаемость и прокаливавемость.

Закаливаемость

Эта характеристика говорит о способности стали к обретению твердости после закаливания. Существуют виды стали, которые плохо поддаются закалке и после процесса термообработки сталь становится недостаточно твердой. Про такой материал говорят — «не принял закалку».

Способность к твердости у мартенсита связана со степенью искаженности его кристаллической решетки. Меньшее содержание углерода в мартенсите способствует меньшим искажениям в кристаллической решетки, а, значит, твердость стали будет ниже. Если в стали содержится углерода менее 0.3%, то у такого сплава закаливаемость низкая, и обычно такие сплавы не подвергаются закалке.

Прокаливаемость

Эта характеристика может сказать о том, насколько глубоко сталь закалилась. При закаливании поверхность стальной детали остывает быстрее нежели сердцевина. Это происходит потому что поверхность находится в непосредственном контакте с жидкостью для охлаждения, которая отнимает тепло. А центральная часть стальной детали отдает свое тепло через толщу металла и поверхность, где ее и поглощает охлаждающая жидкость.

На прокаливаемость влияет критическая скорость закаливания — чем она (скорость) ниже, тем глубже прокаливается сталь. К примеру, крупнозернистая сталь, у которой небольшая критическая скорость закалки, прокаливается глубже, чем мелкозернистая сталь, у которой высокая критическая скорость закалки.

Глубина прокаливаемости зависит от исходной структуры закаливаемого сплава, температуры нагрева и закалочной среды. Прокаливаемость стали определяется по излому, микроструктуре и твердости.

Физиологические основы закаливания

В основе закаливания лежит тренировка периферических и центральных звеньев системы терморегуляции, которые контролируют процессы образования и отдачи тепла в организме.

Организм человека в процессе эволюции выработал способность приспосабливаться к изменениям погодных условий, выдерживая даже значительные перепады температур, сохраняет при этом тепловой баланс внутри тела.

При закаливании резко активизируется иммунная система, повышается физическая и умственная работоспособность, устойчивость к инфекционным, аллергическим, злокачественным заболеваниям, атеросклерозу, ожирению, диабету.

Естественные факторы внешней среды, которые используются при закаливании, – это солнце, воздух и вода.

Закаливание воздухом

Под воздействием воздушных ванн повышается тонус нервной и эндокринной систем, нормализуются функции пищеварения, улучшается работа сердечной и дыхательной систем, изменяется состав крови – увеличивается количество эритроцитов и уровень гемоглобина, следовательно усиливается насыщение клеток организма кислородом.

Чем больше разница температур тела и воздуха, тем сильнее раздражаются рецепторы кожи. Поэтому холодные воздушные ванны активизируют защитные компенсаторные терморегуляторные механизмы, тренируя скорость сосудистых реакций, которые предохраняют организм от резких перепадов внешних температур.

Теплый воздух не несет закаливающего эффекта, но зато положительно влияет на окислительно-восстановительные процессы в организме.

Закаливание солнцем

Солнечная радиация оказывает влияние на организм с помощью инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Под действием инфракрасных лучей в организме происходит образование добавочного тепла, в результате чего усиливается потоотделение, увеличивается испарение влаги с кожных покровов, расширяются сосуды, появляется покраснение кожи, возрастает кровоток.

Ультрафиолетовые лучи (УФ) производят мощный биологический эффект на организм: под их влиянием в коже синтезируется витамин Д, играющий важную роль в фосфорно-кальциевом обмене. УФ лучи характеризуются бактерицидным свойством, повышают сопротивляемость организма к инфекциям, оказывают тонизирующее влияние на все органы и системы.

Кожа людей, принадлежащих к различным расам, имеет разную чувствительность к солнечному облучению. Это связано с толщиной поверхностного рогового слоя и способностью кожи к синтезу меланина – пигмента, количество которого определяет различный цвет кожных покровов: от белого до черного.

Закаливание водой

Одним из показателей эффективности водных закаливающих процедур служит реакция кожи.

Выделяют три фазы реакции кожных покровов на действие холодной воды:

• I фаза – происходит спазм сосудов кожи, при сильном охлаждении изменения касаются и подкожно-жировой клетчатки.
• II фаза – идет процесс адаптации к низкой температуре воды: сосуды расширяются, кожа краснеет. Для этой фазы характерно улучшение самочувствия, прилив бодрости и энергии.
• III фаза –переохлаждение, когда заканчиваются приспособительные возможности организма, тело уже не может сохранить тепло. На этом фоне возникает сильный спазм подкожных сосудов, кожа бледнеет, обретает синюшный оттенок, появляется озноб.

При регулярном закаливании водой первая фаза становится короче, а вторая приходит быстрее. Самое главное, не допускать третьей фазы.