Термическая обработка металлов закалка

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

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.

Оборудование для термообработки сталей

Основное оборудование, на котором проводится термическая обработка изделий из сталей и цветных металлов, состоит из двух основных групп: установок для нагрева заготовок и закалочных ванн. Нагревательные устройства включают в себя следующие виды оборудования:

• 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.

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

Нормативная температура нагрева стали при ее закалке напрямую зависит от массовой доли углерода и легирующих добавок. В целом наблюдается следующая зависимость: чем меньше содержание углерода, тем выше температура закалки. При недогреве изделия не успевает сформироваться требуемая структура, а при значительном перегреве происходит обезуглероживание, окисление поверхностного слоя, изменение формы и размера структурных элементов, а также рост внутреннего напряжения. В таблице ниже приведены температуры закалки, отжига и отпуска некоторых марок углеродистых и легированных сталей.

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

Технология закалки сталей требует соблюдения ряда требований к процессам нагрева и охлаждения закаливаемых деталей. В первую очередь это относится к скорости разогрева и охлаждения металла. Экономические показатели термического процесса требуют максимально быстрого повышения температуры до номинальной, т. к. при этом расходуется меньше энергии. Однако скоростной нагрев приводит к большому перепаду температур между поверхностным слоем и сердцевиной изделия, что может привести к его деформации и возникновению трещин. Поэтому прогрев на всю глубину детали до полного ее разогрева должен проходить плавно, а его время определяется технологом-термистом с помощью эмпирических формул и табличных значений.

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

Охлаждая сталь до разных температур и с разными скоростями, можно получить различные структуры ее кристаллической решетки с элементами разного размера и формы. Совокупность этих характеристик с химическим составом определяет такие ее эксплуатационные качества, как твердость, хрупкость, вязкость, прочность, упругость и пр. Поэтому существует множество технологий охлаждения и их разновидностей, среди которых можно выделить следующие технологические группы:

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

В качестве охлаждающих жидкостей при закалке углеродистых сталей обычно используют воду: как чистую, так и в виде водных растворов (солевых и щелочных). Легированные стали требуют меньшей скорости охлаждения, поэтому для них применяют минеральные масла и воздух. При ступенчатой и изотермической закалке охлаждающей средой служат расплавы солей, щелочей и металлов. При некоторых видах закалки для получения требуемой структуры стали среды охлаждения чередуются.

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).

Отличия закаливаемости от прокаливаемости

Каждая марка стали обладает определенной закаливаемостью, которая характеризуется ее способностью приобретать при закалке требуемую твердость. Основные факторы, влияющие на закаливаемость стали, — это процентные доли углерода и легирующих добавок. Нижний предел содержания углерода, после которого сталь не воспринимает закалку, равен 0.2 %. Прокаливаемость характеризуется глубиной проникновения в объем металла закаленной структуры (полностью мартенситной или состоящей из троостита и мартенсита). Легирующие добавки в виде молибдена, хрома, никеля и пр. увеличивают как закаливаемость, так и прокаливаемость, а добавление кобальта их понижает.

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.

Для придания стальным заготовкам особых свойств выполняют термическую обработку. Технология зависит от конечных параметров и свойств металла, его качества. На выбор вида термической обработки влияет марка стали, требуемые эксплуатационные характеристики конечного изделия.

Виды отжигов

Суть процесса заключается в нагреве металлического изделия и последующего медленного охлаждения. В результате этого улучшается показатель вязкости, достигается химическая и структурная однородность. Термическая обработка методом отжига негативно влияет на жесткость стали.

В зависимости от требуемых качеств изделия выполняют такие виды отжига:

Диффузионный. Цель обработки – уменьшение химической неоднородности состава. Сначала сталь нагревают до температуры +1150°С и в таком состоянии заготовка остается 10-15 часов. Затем выполняют медленное (естественное) охлаждение. Полный. Она выполняется для штамповочных изделий или заготовок, сделанных методом литья или ковки. Цель – формирование мелкозернистой структуры. Сталь нагревается до температуры, превышающей значение критической верхней точки на +50°С. Затем происходит медленное охлаждение со скоростью не более 75°С (для легированных сортов) или +200°С (для углеродистых марок) в час. Неполный отжиг. Термическая обработка применяется для уменьшения показателя жесткости и снятия напряжения структуры. Технология аналогична вышеописанной, за исключением значения максимальной температуры. Она не должна превышать +750°С. Изотермический. Он актуален только для легированных сортов стали. Температура воздействия выше критической точки на 20-30%. Отличия от полного отжига – быстрое охлаждение до +600°С. Методика применяется для оперативной обработки стальных заготовок.

Для выполнения этих процедур необходимо специальное оборудование. Качество обработки зависит от выполняемых требований. В случае несоблюдения технологии велика вероятность появления дефектов – пережог.

Закалка

Методика актуальна для создания неравномерной структуры стали заготовки. Это увеличивает твердость, но также повышает хрупкость конструкции. Выбор температуры воздействия зависит от химического состава. Также важными являются скорость охлаждения и периодичность повторения процедуры.

При выборе технологии закаливания учитывают следующие факторы:

Температура обработки. Если она не превышает критическое значение – закалка относится к категории неполной. Для обработки всей структуры заготовки термическое воздействие должно быть выше точки Асз на 30-40°. Охлаждение. Оно может выполняться быстро или медленно. В первом случае твердость неравномерная, ближе к поверхности. При медленном охлаждении напряжение структуры выравнивается. Выбор среды для закалки. Чаще всего используют соляную ванную или масло с добавлением специальных веществ. Периодичность. Она влияет на распределение жесткости в структуре стали.

Способы закалки рассчитываются индивидуально для каждого типа изделия. О том, как закаливать и делать отпуск металла в домашних условиях, читайте здесь.

Отпуск

Для нормализации характеристик стальных заготовок после закалки рекомендуется делать ее отпуск. Его суть заключается в термическом воздействии температурами, при которых не происходит фазового превращения. Итогом этой операции будет однородность структуры стали.

Виды отпуска для металлических заготовок:

Низкий. Применяется для углеродистых сортов стали. Максимальная температура воздействия — +200°С. В результате уменьшается показатель хрупкости и снижается натяжение в структуре. Средний. Термическая обработка происходит при +400°С. Технология необходима для удаления избыточного углерода. При этом кристаллическая решетка становится кубической. Высокий. Температура обработки – до +650°С. Применяется для появления оптимальных характеристик прочности, вязкости и пластичности.

Определяющим показателем для этого процесса является отпускная хрупкость. Она указывает на степень падения ударной вязкости при резких перепадах температур.

Нормализация металлических заготовок

Технология схожа с отжигом стали. Разница заключается в способе охлаждения заготовки. Это происходит не в печи, как в первом случае, а на воздухе. В результате происходит нормализация структуры кристаллической решетки, повышаются показатели прочности и вязкости.

При выполнении этого процесса учитывают такие показатели:

Выдержка. Она характеризует степень равномерного термического воздействия на все слои стальной заготовки. Скорость охлаждения. Влияет на толщины перлитных пластин. Поэтапное охлаждение. В некоторых случаях после достижения определенного уровня снижения температуры деталь помещают в масло для оперативного охлаждения.

Для появления нужных свойств стальной заготовки могут выполняться несколько типов термической обработки.

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

• Термическая обработка металлов
• Конвейерные печи
• Конвейерная лента для проходных печей
• Шахтные и колпаковые печи
• Вакуумные печи
• Реализованные проекты

Комплексная термическая обработка металлов — процесс изменения структуры стали, цветных металлов, сплавов при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Химический состав металла не изменяется.

Термическая обработка (термообработка) стали, сплавов бывает следующих видов: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

• Отжиг — термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термобработка (т.е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).
• Закалка — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки — отпуск.
• Отпуск — термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.
• Нормализация — термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термобработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге — в печи).

ОТЖИГ СТАЛИ

Отжиг — процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды: полный, неполный, изотермический отжиги. Ниже рассмотрен отжиг, его виды, применительно к стали.

• Возврат(отдых) стали – нагрев до 200 – 400°C, отжиг для уменьшения или снятия наклепа. По результатам отжига наблюдается уменьшение искажений кристаллических решеток у кристаллитов и частичное восстановление физико-химических свойств стали.
• Рекристаллизационный отжиг стали (рекристаллизация) — нагрев до температур 500 – 550°C; отжиг для снятия внутренних напряжений – нагрев до температур 600 – 700°C. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения металла отливок от неравномерного охлаждения их частей, также в заготовках, обработанных давлением (прокаткой, волочением, штамповкой) с использованием температур ниже критических. Вследствиии рекристаллизационного отжига из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, поэтому твердость стали снижается, а пластичность, ударная вязкость увеличиваются. Чтобы полностью снять внутренние напряжения стали нужна температура не менее 600°C. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: вследствии ускоренного охлаждения металла вновь возникают внутренние напряжения.
• Диффузионный отжиг стали (гомогенизация) применяется тогда, когда сталь имеет внутрикристаллическую ликвацию. Выравнивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердом состоянии, наряду с самодиффузией железа. По результатам отжига, сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией. Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережога, оплавления зерен. Если допустить пережог, то кислород воздуха окисляет железо, проникая в толщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательным браком. Диффузионный отжиг стали обычно приводит к слишком сильному укрупнению зерна, что следует исправлять последующим полным отжигом (на мелкое зерно).
• Полный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией, измельчением зерна при температурах точек АС1 и АС2. Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработки резанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновесной перлитной структуры готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на 30-50°Cвыше температуры линии GSK и медленно охлаждают. После отжига избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеют форму пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым
• При отжиге стали на пластинчатый перлитзаготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего при частичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше 10-20°C в час. Отжигом также достигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например, доэвтектоидной стали, получается при затвердевании вследствие свободного роста зерен (если охлаждение отливок медленное), а также в результате перегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийского астронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорном железе). Такая структура придает низкую прочность заготовке. Структура характерна тем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки) располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. В заэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразным расположением избыточного цементита. Размельчение зерна связано с перекристаллизацией альфа-железа в гамма-железо; вследствии охлаждения и обратного переходе гамма-железа в aльфа-железо мелкозернистая структура сохраняется. Таким образом, одним из результатов отжига на пластинчатый перлит является мелкозернистая структура.
• Неполный отжиг стали связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки А С1; неполный отжиг применяется после горячей обработки давлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
• Отжиг стали на зернистый перлит применяют обычно для эвтектоидных, заэвтектоидных сталей, для повышения пластичности, вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита сталь нагревают выше точки АС1, затем выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают до температуры несколько ниже Ar1, выдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегося цементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита, который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите. Свойство зернистого перлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости, но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоидной стали, где весь цементит (как эвтектоидный, так избыточный) получается в виде глобулей.
• Изотермический отжиг — после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1, затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время, а также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч.

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов. Материал, подвергшийся закалке приобретает большую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и 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 твердости и прочности материала.

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 — 50°C выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK, в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки.

Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей. Закалка снимается отпуском материала. В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Закалочные среды

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, быстрее всего превращается в феритно-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 (Термат), 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

• 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.

ОТПУСК СТАЛИ

Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите.

Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость а н, повышенное удлинение d и предел текучести s т по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.

Мартенсит закалки имеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивую центрированную кубическую решетку альфа-железа.

Отпуск разделяют на низкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.

Для определения температуры при отпуске изделия пользуются таблицей цветов побежалости. Тонкая пленка окисдов железа, придающая металлу различные быстро меняющиеся цвета — от светло-желтого до серого. Такая пленка появляется, если очищенное от окалины стальное изделие нагреть до 220°C; при увеличении времени нагрева или повышении температуры окисная пленка утолщается и цвет ее изменяется. Цвета побежалости одинаково проявляются как на сырой, так и на закаленной стали.

При низком отпуске (нагрев до температуры 200-300°C) в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того, начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в альфа-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойств стали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися на поверхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. В интервале температур от 220 до 330°C в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Низкий отпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.

При среднем (нагрев в пределах 300-500°C) и высоком (500-700°C) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, повышение таких показателей как прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпуск стали после закалки ее на мартенсит применяют для термической обработки кузнечным штампов, пружин, рессор, а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например, осей автомобилей, шатунов двигателей).

Для некоторых марок стали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистой легированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокую вязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшения обрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до 950-970°C), в результате чего она приобретает крупную структуру (определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость (ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшения твердости производят высокий отпуск этой стали.

НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Нормализацией называют такой вид термической обработки, когда сталь нагревают на 30 — 50°C выше верхних критических температур Асз или Аст и после выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе. Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза).

Нормализация является более дешевой операцией, чем отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки. Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации.

Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость. Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем высокому отпуску при температурах 650 — 700°C для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке.

Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки. В этом случае после нормализации изделия подвергают высокому отпуску для снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе.