Закалка стали — обсуждение проблемы

Закалка стали — это термическая обработка, состоящая из двух этапов:

1. Нагрев стали, в результате чего феррит и цементит превращаются в аустенит.
2. Резкое охлаждение с целью превращения аустенита в мартенсит или бейнит.

Аустенит — это твердый раствор углерода в железе γ, который в большинстве сталей встречается исключительно при высоких температурах. Мартенсит — это самая твердая, но в то же время хрупкая форма стали, которая может выглядеть как иголки, пересекающиеся под углом 60°, напряженные и твердые. Аморфный мартензит без характерных иголок называется харднитом. Байнит — это структура, напоминающая мартензит после отпуска, обычно обладающая высокой прочностью, но меньшей хрупкостью. Микроскопические фотографии аустенита и мартензита представлены на иллюстрации № 1.

Влияние на механические свойства. После закалки сталь становится очень твердой и прочной, но в то же время более хрупкой и ломкой. Для улучшения пластичности сталь после закалки подвергается отпуску.

К процессу закалки подготавливается материал, подготовленный к термообработке, чаще всего в состоянии, смягченном (отжигаемом для смягчения), который уже прошел холодную пластическую обработку.

Иллюстрация 1 – аустенит при 100-кратном увеличении и мартенсит при 1000-кратном увеличении. Источник: Металлографический атлас структур.

Основные виды закалки

Закалка — это общее понятие. В зависимости от способа нагрева и охлаждения различают различные виды закалки.

В зависимости от полученной структуры выделяют:

• Мартенситное закаливание
• Байнитное закаливание

В зависимости от способа нагрева закаливаемого предмета различают:

• Объемная закалка / с прогревом насквозь, где сталь прогревается насквозь, а целью прогрева является получение структуры аустенита по всему сечению изделия. Глубина превращения в мартензит / бейнит зависит затем только от сечения изделия и физических свойств стали. Обычно не бывает так, что весь элемент закаляется, т. е. что по всему сечению элемента аустенит превращается в мартензит.
• Поверхностная закалка, где целью является упрочнение только поверхностного слоя изделия, а внутренняя часть изделия сохраняет феррическую структуру.

Далее процессы закалки с прогревом до конца делятся по способу охлаждения на:

• Закалка обычная
• Постепенное полное закалива
• Неполное постепенное закалива
• Изотермическая закалка

При поверхностной закалке скорость охлаждения не имеет большого значения, и предметы обычно охлаждают в воде сразу после их резкого нагрева. Процессы поверхностной закалки далее подразделяются в зависимости от среды, нагревающей предмет, на:

• Термообработка пламенем - нагрев с помощью газовых горелок.
• Индукционная закалка — нагрев вихревыми токами, обеспечивает высокую повторяемость и точность работы.
• Закаливание в ванне (погружное) — нагревание в соляной или свинцовой ванне.

Поверхностная закалка принципиально отличается от объемной закалки и требует совершенно других машин и технологического подхода. При поверхностной закалке нагрев происходит чрезвычайно резко и быстро, в отличие от «стандартной» закалки. Объемная закалка похожа на медленное приготовление мяса, а поверхностная закалка — на жарку на сковороде. Взаимосвязь между этими терминами представлена в таблице № 1.

Глубина аустенизации	Полученная структура	Способ охлаждения	Способ передачи тепла
Объемная закалка Закалка с прогревом насквозь	Мартенситное закаливание	Обычная закалка
		Постепенное полное закалива
	Байнитное закаливание	Неполное постепенное закалива
		Изотермическая закалка
Поверхностная закалка Закалка с поверхностным нагревом	Мартенситное закаливание		Пламенная закалка
			Индукционная закалка
			Закаливание в ванне

Tabela nr 1 - Główne rodzaje hartowania

Объемная закалка / с прогревом насквозь

Температуры нагрева определяются металлургическими заводами и исследовательскими институтами и вводятся в нормы. Строгое соблюдение норм особенно важно в случае легированных сталей. Ниже приведен список некоторых наиболее интересных примеров.

• Конструкционный уголь ст45 / C45: 820 - 860℃, охлаждение: вода, масло
• Для термообработки 38Х2Н2МА / 1.6582: 830 - 860℃, вода, масло
• Для закалки 18Х2ГН2М - 1.6587: после I закалки: 840 - 870℃, после II закалки: 800 - 830℃, вода, масло
• Углеродная пружина ст65 / C67S: 830–850 °C, масло
• Пружинная стопа 50XФA: 820-870℃, масло
• Котельная 25Х1М1Ф: 930 - 950℃ в воде, 940 - 960℃ в масле
• Инструмент для горячей обработки 3Х2В8Ф, WWV, X30WCRV9-3, 1.2581: термическая обработка с закалкой при 1120–1160 °C и охлаждением/отпуском в солевой ванне при температуре 450–550 °C.
• Инструмент для холодной обработки 6XB2C, NZ3: 850-880℃, масло

Для углеродистых сталей можно самостоятельно определить температуру отжига, зная только содержание углерода в стали. Подеутекоидальные углеродистые стали (<0,77% C) следует отжигать при температуре 30-50 °C выше температуры аустенитного перехода A₃. Это позволяет полностью растворить феррит и цементит в аустените и максимизировать количество мартенсита в процессе охлаждения. Надоэвтектоидные стали (>0,77% C) следует нагревать до температуры 760-780°C.

Время нагрева должно быть как можно короче для получения желаемых свойств. Это обусловлено как экономическими факторами, так и качеством конечного продукта. В то же время слишком быстрый нагрев может привести к растрескиванию в результате тепловых напряжений. По этой причине в случае элементов сложной формы и большой площади поверхности применяется постепенный нагрев с выдержкой при нескольких промежуточных температурах. Это касается также легированных сталей, поскольку легирующие компоненты снижают теплопроводность стали. Например, инструментальные стали нагреваются в два или даже три этапа.

Примерные времена нагрева и отжига углеродистой стали при прогревании:

• Сечение 25 мм:
  • газовые камерные печи — нагрев: 20 мин, отжиг: 5 мин
  • соляные ванны — нагрев: 7 мин, отжиг: 3 мин
• Сечение 50 мм:
  • p.k.g. - N: 40 мин, W: 10 мин
  • p.w.s. - N: 17 мин, W: 8 мин
• Сечение 75 мм:
  • p.k.g. - N: 60 мин, W: 15 мин
  • p.w.s. - N: 24 мин, W: 12 мин
• Сечение 100 мм:
  • p.k.g. - N: 80 мин, W: 20 мин
  • p.w.s. - N: 33 мин, W: 17 мин
• Сечение 125 мм:
  • p.k.g. - N: 100 мин, W: 25 мин
  • p.w.s. - N: 40 мин, W: 20 мин
• Сечение 150 мм:
  • p.k.g. - N: 120 мин, W: 30 мин
  • p.w.s. - N: 50 мин, W: 25 мин
• Сечение 175 мм:
  • p.k.g. - N: 140 мин, W: 35 мин
  • p.w.s. - N: 55 мин, W: 30 мин
• Сечение 200 мм:
  • p.k.g. - N: 160 мин, W: 40 мин
  • p.w.s. - N: 65 мин, W: 35 мин

Для легированных сталей время нагрева следует увеличить на 25-40%.

Примерные времена нагрева и отжига метчиков, разверток, сверл, круглых протяжек и цельных инструментов при прогреве в соляных ваннах:

• I степень нагрева до 550-600°C: t = bD
• II ступень нагрева до 800-850°C: t = cD
• Время догрева до температуры закалки: t = aD

Где:

• t - время нагрева
• D - диаметр режущей части инструмента в мм
• а: 0,09-012 для быстрорежущей стали, 0,17-0,18 для высоколегированной хромистой стали, 0,15-0,20 для легированной стали
• b: 0,35-0,50 для быстрорежущей стали, 0,30-0,40 для высоколегированной хромистой стали, 0,30-0,40 для легированной стали
• c: 0,30-0,35 для быстрорежущей стали, 0,30-0,35 для высоколегированной хромистой стали

Все вышеуказанные данные, конечно, следует рассматривать только как ориентировочные. Оптимальная продолжительность и температура нагрева определяются экспериментально, после микроскопических исследований — наличие феррита в углеродистой стали или избыток карбидов в легированной стали указывает на слишком низкую температуру или слишком короткую продолжительность нагрева.

Обычная закалка

Закалка  обычное (обычное мартенситное закаливание с непрерывным охлаждением) — охлаждение происходит непрерывно, со скоростью, превышающей критическую скорость охлаждения, и без изменения скорости охлаждения, до температуры M_s, а иногда даже M_f. Следующим этапом термообработки является отпуск.

Охлаждающая жидкость: На практике углеродистые стали охлаждаются в воде, а легированные стали могут охлаждаться в масле, а иногда даже на воздухе.

Целевая структура представляет собой мартенсит с остаточным аустенитом и компонентами, которые не подвергаются превращениям, например, карбидами или неметаллическими вкраплениями.

Механические свойства: очень высокая и неоднородная твердость, высокая прочность, очень низкая пластичность и высокая хрупкость. Требуется отпуск.

Постепенное полное закалива

Постепенное полное закаливание (или постепенное мартенситное закаливание, англ. marquenching) применяется для небольших и мелких изделий, а также для изделий со сложными и изменяющимися сечениями. Процесс охлаждения проходит в три этапа:

• охлаждение в солевом ванне или в масле с температурой, немного превышающей температуру мартенситного перехода
• выдерживание в ванне до выравнивания температуры по сечению. Время выдержки достаточно короткое, чтобы не началось байнитное преобразование.
• охлаждение до температуры окружающей среды на воздухе.

Целевая структура представляет собой мартенсит, схожий с тем, который получается при обычной закалке, но с меньшими напряжениями и деформациями.

Неполное постепенное закалива

Неполное постепенное закаливаanie (или обычное бейнитное закаливаanie, англ. martempering) заключается в охлаждении со скоростью, меньшей чем критическая. На практике охлаждение выглядит аналогично полной постепенной закалке, при этом время выдержки достаточно длительное, чтобы начался байнитный переход.

Целевая структура представляет собой байнит с мартензитом и остаточным аустенитом, как показано на рисунке 2.

Механические свойства: лучшие пластические свойства и ударная вязкость по сравнению со сталью после мартенситной закалки и отпуска.

Закалка с изотермическим преобразованием

Изотермическая закалка (бейнитная закалка с изотермическим превращением, закалка с изотермическим распадом переохлажденного аустенита, англ. austempering) - Процесс охлаждения проходит в три этапа:

• охлаждение аустенита, переохлажденного до температуры ниже температуры перлитного превращения
• изотермическая выдержка в охлаждающей ванне при температуре 250-400°C. Время выдержки достаточно длительное, чтобы обеспечить завершение байнитного превращения.
• охлаждение до температуры окружающей среды на воздухе.

Целевая структура — это бейнит. Эта обработка представляет собой, как бы, закалку в сочетании с одновременным отпуском и часто называется одноступенчатым упрочнением.

Механические свойства — более высокая твердость и прочность при значительном снижении напряжений. Дальнейшая закалка не требуется.

Иллюстрация № 2 — мартенсит с нижним бейнитом. Источник: Металлографический атлас структур.

Охлаждение в воде, масле и других хладагентах

На интенсивность охлаждения влияют охлаждающая среда (ее вязкость, температура, теплопроводность, удельная теплоемкость, температура кипения, скрытая теплота испарения), движение объекта по отношению к охлаждающей среде, состояние поверхности объекта, а также масса и размер поверхности объекта.

Охлаждающие центры можно разделить на четыре категории, расположенные от самых мощных до самых слабых:

• Вода и водные растворы
• Масла и жиры
• Расплавленные соли или металлы
• Сжатый воздух

Относительные скорости охлаждения в некоторых средах в диапазоне температур 720-550 °C, где 1 — скорость охлаждения в воде:

• Вода 18 °C: 1
• 10% NaOH: 2,05
• 10% NaCl: 1,96
• Остановка 30% Sn в 70% Cd 180°C: 0,77
• Минеральное масло: 0,14-  0,22
• Воздух: 0,028

Относительные скорости охлаждения в некоторых средах в диапазоне температур около 200 °C, где 1 — скорость охлаждения в воде:

• Вода 18 °C: 1
• 10% NaOH: 1,36
• 10% NaCl: 0,98
• Минеральное масло: 0,022
• Воздух: 0,007

Движение объекта по отношению к охлаждающей среде имеет большое практическое значение и может даже в несколько раз увеличить интенсивность закалки.

Ориентировочные относительные значения интенсивности закалки в воде в зависимости от движения предмета:

• Никакого движения: 1
• Медленное движение: 1,0-1,3
• Средний трафик: 1,4-1,5
• Сильное движение: 1,6-2,0
• Резкое движение: 4,0

Состояние поверхности предмета также влияет на интенсивность охлаждения. Слой оксидов, обладающих плохой теплопроводностью, снижает скорость охлаждения, особенно в масле. Поэтому предметы, нагреваемые в солевой ванне, закаливаются лучше и более равномерно, чем предметы, нагреваемые в камерной печи.

Масса и размер поверхности изделия. Чем более компактное изделие, тем медленнее проходит процесс охлаждения. И наоборот — выступающие части, сужения, углы, края охлаждаются быстрее, что может привести к деформациям и трещинам. Поэтому с точки зрения инженера форма изделия существенно влияет на выбор подходящего сорта стали.

Поверхностная закалка

В случае поверхностной закалки даже значительное превышение температуры аустенизации может не оказать вредного влияния на результат закалки, поскольку время нагрева сокращается до нескольких секунд. Существуют различные техники поверхностной закалки. В зависимости от нагревательного устройства различают:

• Пламенная закалка - нагрев с помощью газовых горелок
• Индукционная закалка — нагрев вихревыми токами, обеспечивает высокую повторяемость и точность работы
• Закаливание в ванне (погружное) — нагревание в соляной или свинцовой ванне.

Примерами методов поверхностной закалки являются одновременная, непрерывная и ванная закалка.

Метод одновременной закалки заключается в одновременном нагревании всей поверхности изделия и, после достижения заданной температуры, в одновременном охлаждении. Здесь можно использовать нагревательные катушки с профилем, адаптированным к изделию. Таким образом часто закаливают инструменты. Вариантом является метод вращательной пламенной закалки, который заключается в нагревании поверхности быстро вращающегося изделия (75-100 об/мин) с помощью газового горелки и, после достижения заданной температуры, одновременном охлаждении всей поверхности распылением со всех сторон. Метод применяется для предметов небольшого диаметра, коленчатых валов, шейки валов и осей, зубчатых колес.

Метод непрерывной закалки (постепенной) заключается в постепенном нагревании поверхности медленно движущегося предмета с помощью газового пламени или индукционной катушки, за которой находится водяная струя для быстрого охлаждения. Метод применяется для охлаждения очень длинных элементов, рельсов, длинных валов, труб.

Метод закалки в ванне (погружной) заключается в медленном нагревании стали в соляной ванне до температуры ниже точки перехода A₁, а затем в быстром нагревании поверхности выше A_{3 путем погружения в соляную или свинцовую ванну, нагретую значительно выше температуры A3, кратковременного выдерживания в ванне и резкого охлаждения в охлаждающей жидкости.}

Пример одновременной индукционной закалки представлен на рисунке 3.

Ilustracja nr 3 - Hartowanie indukcyjne jednoczesne. Źródło: Obróbka cieplna stali.

Преимущества поверхностной закалки

Поверхностная закалка является быстрым и повторяемым процессом. Ее большим преимуществом является то, что она может применяться к уже термообработанным элементам, поскольку поверхностная обработка не разрушает термообработку в сердцевине. Благодаря этому можно использовать более дешевую углеродистую сталь вместо более дорогой легированной.

Дефекты закалки

Неполное закаливание — если изделие нагревается до слишком низкой температуры или выдерживается при ней слишком короткое время, феррит не растворяется полностью в аустените, и после закалки он будет состоять из нерастворенных зерен феррита на фоне мартенсита. Сталь с такой структурой характеризуется пониженной твердостью и ухудшенными прочностными свойствами.

Перегрев стали. Правильная закалка дает мелкозернистый мартенсит, менее хрупкий. Перегрев стали, то есть слишком длительное нахождение при слишком высокой температуре, а также слишком резкое охлаждение приводит к образованию крупнозернистого мартензита с иголками, четко выделяющимися на фоне аустенита. Такая закаленная сталь является чрезмерно хрупкой. Сравнение мелкозернистого и крупнозернистого мартензита представлено на рисунке № 4. Нормализующее отжигание устраняет перегрев стали.

Иллюстрация № 4 — Мелкоигольчатый и крупноигольчатый мартенсит. Источник: Металловедение и термическая обработка

Пережигание стали — это крайний случай перегрева. О пережигании говорим, когда произошло внутреннее окисление на границе зерен стали. Пережигание — это дефект, который невозможно устранить.

Слишком быстрое охлаждение происходит в результате использования слишком сильного охлаждающего средства или неправильного погружения предмета в ванну и приводит к растрескиванию и деформации.

Слишком медленное охлаждение в свою очередь приводит к полному или частичному отсутствию эффекта закалки.

Специальные виды закалки

Закалка под нулем отличается тем, что после охлаждения изделия до температуры окружающей среды (иногда после отпуска) следует этап замораживания изделия в жидком кислороде, смеси твердого углекислого газа, спирте или в специальных холодильниках. Целью закалки является повышение твердости и других свойств закаленного предмета путем дальнейшего преобразования остаточного аустенита в мартенсит.

Библиография

Mikołaj Scelina, Atlas Metalograficzny struktur, Wydawnictwa naukowo-techniczne, 1964

Leszek Adam Dobrzański, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Wydawnictwa szkolne i pedagogiczne, 1986

Kornel Wesołowski, Metaloznawstwo i obróbka cieplna, Państwowe wydawnictwa szkolnictwa zawodowego

Paweł Kosieradzki, Obróbka cieplna stali, Państwowe wydawnictwa techniczne, 1954

Marek Blicharski Inżynieria materiałowa STAL, Wydawnictwo WNT, ISBN 978-83-01-18955-6