- Что такое закалка?
- Что собой представляет сталь
- Задачи упрочнения
- Микроструктура металла после упрочнения
- Способы упрочнения стали
- Закаливание и отпуск
- Изотермическое упрочнение
- Ступенчатый метод (Аусбай)
- Прерывистое упрочнение
- Струйчатое упрочнение
- Поверхностное упрочнение
- Возможные дефекты
Сталь – один из самых важных и знаковых металлов на земле. Из комбинации железа и углерода возник прочный, универсальный и широко используемый сплав, который используется во всех сферах нашей жизни, от строительства и машиностроения, до производства различных видов посуды. Такая широкая популярность металла связана с его многочисленными положительными характеристиками, главным из которых является твердость – способность противостоять деформации, вызванной вдавливанием, ударами или истиранием. Однако естественной твердости стали не всегда достаточно для определенных деталей и инструментов, к примеру, несущим конструкциям или деталям двигателя. Вот почему были разработаны различные технологии значительного увеличения твердости и других свойств стали – закалку.
Что такое закалка?
Металл, не прошедший специальную термообработку – материал мягкий, непрочный и гибкий. Инструменты, изготовленные из не закаленных сталей, могут гнуться в процессе эксплуатации. Чтобы придать стали те свойства, с которыми она обычно ассоциируется, необходимо провести специальную термообработку (закалку).
Закалка стали – вид термической обработки, который заключается в нагревании металла до соответствующей температуры и выдерживании в течение времени, необходимом для полного восстановления внутренней структуры материала. После этого затвердевший материал подвергается быстрому остужению. Правильно проведенная закалка вызывает образование локальных концентраций напряжений в материале, что обычно приводит к увеличению его прочности и твердости, улучшению характеристик текучести, эластичности и сопротивления истиранию.
Что собой представляет сталь
Сталь – это сплав железа и углерода, подвергающийся пластической и термообработке. Согласно стандартам, в сплаве присутствует не менее 45 % первого компонента и от 0,02 до 2,14% второго. При этом, сплав с 0,6%–2,14% содержанием углерода соответствует высокоуглеродистой стали. Возможность закалки стали определяется содержанием углерода, легирующих и технологических элементов. Кроме того, на процесс закалки влияет размер зерна, а также наличие других нерастворимых частиц. Закалка позволяет получить полностью нужные параметры, которые определяют химический состав данного материала. Существуют различные технологии проведения закалки стали: термические, механические, химические или сочетающие два и более метода вместе. Процессы термического упрочнения являются наиболее распространенными методами упрочнения. В общих чертах технология закалки термическим методом выглядит следующим образом:
- нагрев сталей до определенной температуры закалки (материал обычно нагревается до температуры на 30-50 градусов выше температуры аустенитного превращения);
- выдержка металла при данной температуре до тех пор, пока его внутренняя структура не изменится;
- быстрое охлаждение стали после закалки, для чего может использоваться водяная, масляная или соляная ванны. При применении в качестве охлаждающих жидкостей кислот, необходимо проводить периодическое раскисление сталей, что исключит риск снижения концентрации углерода на поверхностном слое. Для этих целей применяется древесный уголь или борная кислота.
Существуют разные виды закалки сталей, которые будут рассмотрены ниже.
Задачи упрочнения
Закалке подвергаются все инструменты и детали машин из углеродистой стали для тяжелых условий эксплуатации, и почти все детали машин, изготовленные из легированных сталей.
- Основная цель закалки инструментальной стали – добиться высокой твердости. Режущие свойства инструмента прямо пропорциональны твердости металла.
- Большинство деталей машин проходят закалку для достижения высокой износостойкости. Чем выше твердость, тем выше износостойкость и стойкость к истиранию. Например, шпиндели, шестерни, валы, кулачки и так далее.
- Основной целью упрочнения деталей машин, изготовленных из конструкционных сталей перлитного класса, является достижение высокого предела текучести с хорошей вязкостью и пластичностью, чтобы допускать более высокие рабочие напряжения. Но более высокий предел текучести (и предел прочности) с хорошей ударной вязкостью и пластичностью достигается не в процессе закалки, а после высокотемпературного отпуска закаленных сталей.
Технология закалки стали обычно применяется на готовых изделиях, а не на сырье. Это делается по ряду причин. Во-первых, закалка целого стального блока неэкономична, так как большая его часть будет удалена в процессе обработки. Кроме того, сталь после закалки гораздо труднее обрабатывать, поскольку твердость металла затрудняет проникновение инструмента.
Микроструктура металла после упрочнения
Большинству видов стали после полной процедуры упрочнения характерна структура мартенсита и остаточного аустенита, при этом количество аустенита напрямую зависит от количества углерода, а также качественного и количественного присутствия легирующих элементов. Инструментальные стали содержат приблизительно 20-30 % остаточного аустенита, конструкционные металлы среднего легирования – от 3 до 5 %. Структура сталей, прошедших закалку, определяется в зависимости от требований, предъявляемых к механическим и физическим свойствам изделий. Вместе с мартенситом в структуре материала может присутствовать феррит либо цементит. После прохождения изотермического закаливания в структуре может присутствовать бейнит. Технологии упрочнения, структуру стали и ее конечные свойства рассмотрим ниже.
Способы упрочнения стали
Под воздействием высоких температур стали сталкиваются с рядом фазовых изменений в своей структуре, в том числе с изменениями состава и кристаллической решетки. Температура закалки равная 723 градусам является критической для металла, в котором (еще в твердом состоянии) происходит распад цементита и равномерное формирование углерода в железе (аустенита) – это состояние является исходным для закалок.
В процессе медленного охлаждения аустенит распадается, что приводит к возвращению металла к исходной структуре. При быстром охлаждении стали, прошедшей процесс нагревания и выдержки в условиях высоких температур, аустенит не успевает изменяться, поэтому при пороговой температуре и определенной скорости охлаждения, происходит процесс формирования кристаллических решеток и химических составов, придающих металлу желаемые характеристики.
Существуют различные виды закалки стали:
Закаливание и отпуск
При закалке, также называемой мартенситным превращением, сталь нагревают выше критической температуры до диапазона аустенита, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают. Для доэвтектоидных сплавов (содержание углерода менее 0,9%) температура нагрева на 30-50ºC выше предела линии растворимости аустенита. Для заэвтектоидных сталей заэвтектоидные (содержание углерода более 0,9% С) – температура выше эвтектоидной. Закалка вызывает мартенситное превращение, которое значительно упрочняет сплав. Однако закаленная сталь очень хрупкая, поэтому для снятия ее внутренних напряжений и уменьшения хрупкости проводится отпуск. Максимальная твердость достигается, когда скорость охлаждения при закалке достаточно высока, чтобы обеспечить полное мартенситное превращение.
Изотермическое упрочнение
Изотермическое закаливание – это процесс термообработки, позволяющий получить в сталях структуру бейнита. Используется для увеличения твердости, прочности, пластичности и уменьшения чрезмерной деформации заготовки. Детали нагревают до температуры аустенизации, затем достаточно быстро охлаждают до температуры, превышающей температуру начала мартенсита (Ms), и выдерживают там в течение времени, достаточного для получения желаемой микроструктуры бейнита. Изотермическое закаливание в основном используется для упрочнения средне- и высокоуглеродистых сталей в диапазоне твердости 35-55 HRC, когда требуется пластичность, с дополнительным преимуществом уменьшения деформации. Этот процесс широко используется в автомобильной промышленности для суппортов и других деталей, где требуется максимальная пластичность.
Изотермическое закаливание состоит из следующих процессов:
- Нагрев до температуры в диапазоне аустенизации.
- Охлаждение в ванне (раствор соли или масло) при постоянной температуре - обычно в диапазоне 260-370 ° C.
- Выдержка в течение времени, достаточном для завершения превращения бейнита.
- Остужение до комнатной температуры.
Ступенчатый метод (Аусбай)
Закаливание, направленное на снижение напряжения металла, его чрезмерную деформацию и риск поломки из-за неравномерного фазового перехода и термического удара, типичного для традиционного закаливания в масле для выбранных высокопрочных сталей. Процесс позволяет проводить термообработку деталей со сложной геометрией и формой, близкой к предполагаемой, тем самым сводя к минимуму чистовую механическую обработку / шлифование компонентов после термообработки. Ступенчатый метод чаще всего используется в военной и авиационной промышленности и заключается в быстром охлаждении в закалочной среде, с температурой выше мартенситной точки для данного типа металла. В процессе охлаждения деталь должна дойти до температуры закалочной среды по всему периметру, после чего ее «купают» в воде или масле, где и происходит превращение аустенита в мартенсит.
Прерывистое упрочнение
Закаливание металла в двух средах – метод, применяемый для упрочнения сталей с высоким содержанием углерода (высокоуглеродистых). Изделие, подлежащее закалке, вначале быстро охлаждают в среде для быстрого охлаждения температуры (к, примеру, вода), после чего погружают в медленно охлаждающую среду (к примеру, масло). Процесс минимизирует деформацию металла и риск его растрескивания.
Струйчатое упрочнение
Заключается в обрызгивании детали сильным напором водяной струи. Методика данного типа используется в тех случаях, когда необходимо закалить часть детали.
Поверхностное упрочнение
Процесс приводит к увеличению твердости поверхности, износостойкости и усталостной прочности при сохранении гибкости сердечника. Применяется в тех случаях, когда требуется упрочнение только части поверхности заготовки.
Возможные дефекты
В процессе закаливания стали могут возникать различные дефекты материала, которые условно можно поделить на исправимые и те, которые невозможно исправить.
Исправимые – чаще всего связаны с неправильным охлаждением либо некачественной термообработкой, поэтому твердость деталей не соответствует указанной в требованиях.
Неисправимые – трещины и сколы на детали. Обычно возникают ввиду использования некачественного металла.