Закалка и отпуск стали. Цвета каления и побежалости

Одним из наиболее распространенных способов термообработки металлов является закалка стали. Именно при помощи закаливания формируются требуемые характеристики готового изделия, а ее неправильное выполнение может привести к излишней мягкости металла (непрокаливание) или к его чрезмерной хрупкости (перекаливание). В нашей статье речь пойдет о том, что такое правильная закалка и что нужно сделать, чтобы ее выполнить.

Закалка стали

Общие сведения о технологии закалки стали

Основные цели, решаемые комплексом закалка + отпуск:

• повышение твердости;
• повышение прочностных характеристик;
• снижение пластичности до допустимой величины;
• возможность использования пустотелых изделий вместо полнотелых, что позволяет снизить массу металлоизделия и металлоемкость производственного процесса.

Основные этапы закалки:

• нагрев до температур, при которых осуществляется изменение структурного состояния металла;
• выдержка, установленная в технологической карте;
• охлаждение со скоростью, обеспечивающей формирование заданной кристаллической структуры.

После закалки проводят отпуск, который заключается в нагреве металла до температур, лежащих ниже линии фазовых превращений, с дальнейшим медленным понижением температуры. На результат термообработки влияют:

• температура нагрева;
• скорость роста температуры;
• период выдержки при закалочных температурах;
• охлаждающая среда и скорость снижения температуры.

Ключевым параметром является температура нагрева, от которой зависит перестройка и формирование новой структурной решетки. По глубине действия закалку разделяют на объемную и поверхностную. В машиностроении обычно используется объемная закалка, после которой твердость поверхности и сердцевины отличается незначительно. Поверхностная термообработка востребована для деталей, для которых важна высокая твердость поверхности и вязкая сердцевина.

Методика

Для того чтобы провести работу по закалке стали нужно учитывать то, как выполняется подобный процесс правильно. Закалка – процесс повышения твердости поверхности железа или сплава, который предусматривает нагрев образца до высокой температуры и его последующее охлаждение. Несмотря на то, что с первого взгляда рассматриваемый процесс прост, различные группы металлов отличаются своеобразной структурой и характеристиками.

Термическая обработка в домашних условиях оправдана в нижеприведенных случаях:

1. При необходимости упрочнить материал, к примеру, в месте режущей кромки. Примером можно назвать закалку зубил и стамески.
2. При необходимости повышения пластичности предмета. Это зачастую необходимо в случае горячей ковки.

Профессиональная закалка стали – дорогостоящий процесс. Стоимость 1 кг повышения твердости поверхности стоит примерно 200 рублей. Организовать закалку стали в домашних условиях можно только с учетом всех особенностей повышения твердости поверхности.

Какие стали подвергают закалке

Не все марки сталей могут подвергаться закалке. Марки с содержанием углерода ниже 0,4% практически не изменяют твердость при закалочных температурах, поэтому этот способ для них не применяется. Закалочную технологию чаще всего применяют для инструментальных сталей.

Таблица правильных режимов закалки и отпуска для некоторых типов инструментальных сталей

Как согнуть каленый металл

Для сгибания металлических заготовок и изделий на производстве обычно применяют прессы следующих видов.

1. Пневматические и гидравлические. Это стандартное оборудование для сгибания металла. Заготовки помещают между пуансонами и матрицами. Это позволяет сгибать даже утолщенные детали и изделия. Гидравлические прессы используют чаще. Их преимущества — низкая стоимость и простота эксплуатации.
2. Поворотные. Сгибание металла происходит между специальными балками и плитами. Технология отлично подходит для обработки простых изделий из каленого металла с небольшими габаритами.
3. Ротационные. На этих станках каленый металл сгибают специальные валики. Ротационные станки чаще всего используют для мелкосерийного производства крупногабаритных изделий.

Сгибание металла на станке

Обратите внимание! Хорошая производительность обеспечивается при использовании ротационных и поворотных прессов. Обработка происходит в автоматическом режиме. Заранее рассчитывать усилия не требуется.

Виды закалки – с полиморфным превращением и без него

Закалка сталей протекает с полиморфным превращением, цветных металлов и сплавов – без них.

Закалка сталей с полиморфным превращением

В углеродистых сталях при повышении температур выше определенного уровня происходит ряд фазовых превращений, вызывающих изменения кристаллической решетки. При критических температурах, значение которых зависит от процентного содержания углерода, происходит распад карбида железа и образование раствора углерода в железе, называемого аустенитом. При медленном остывании аустенит постепенно распадается, и кристаллическая решетка приобретает исходное состояние. Если углеродистые стали охлаждать с высокой скоростью, то в зависимости от режима закалки в них образуются различные фазовые состояния, самый прочный из них – мартенсит.

Для получения мартенситной структуры доэвтектоидные стали(до 0,8% C) нагревают до температур, лежащих выше точки Ас3 на 30-50°C, для заэвтектоидных – на 30-50° выше Ас1.По такой технологии закаливают металлорежущий инструмент и упрочняют изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются трению: шестерни, валы, обоймы, втулки. При нагреве до более низких температур в структуре доэвтектоидных сталей наряду с мартенситом сохраняется более мягкий феррит, снижающий твердость металла и ухудшающий его механические характеристики после отпуска. Такая закалка стали называется неполной и в большинстве случаев является браком. Но она может использоваться в некоторых случаях во избежание появления трещин.

Закалка без полиморфного превращения

Закалка без полиморфного превращения протекает в цветных металлах и сплавах, имеющих ограниченную растворимость вторичных фаз при обычных температурах, в которых при высоких температурах не происходят полиморфные превращения. При повышении температур выше линии солидус (это линия, ниже которой находится только твердая фаза) вторичные фазы полностью растворяются. При быстром охлаждении вторичные фазы не выделяются, поскольку для этого необходимо определенное время. После такой термообработки цветной сплав является термодинамически неустойчивым, поэтому со временем он начинает распадаться с постепенным выделением вторичной фазы. Такой процесс распада, происходящий в естественных условиях, называется естественным старением, а при нагреве – искусственным старением. В результате старения получают равновесную структуру. Характеристики материала зависят от выбранного режима процесса.

Закалка цветных металлов и сплавов, в отличие от углеродистых сталей, часто не приводит к повышению прочности. Сплавы на основе меди, например, после такой ТО часто становятся более пластичными. Для таких материалов обычно используют отпуск, благодаря которому снимаются напряжения после литья, прокатки, штамповки, ковки или прессования.

Технологические нюансы: как правильно закаливать металл

Сама процедура включает в себя три шага – нагрев, выдержку и остывание. Оттого, какой результат вы хотите получить и на каком материале работаете, выбирают различные параметры: предел, продолжительность, а также способы охлаждения. Приведем таблицу с несколькими марками стали:

Есть две основные цели термообработки:

• повышение прочности – это необходимо для ножей, топоров, сверл и других инструментов, которыми обрабатывают твердые поверхности;
• увеличение пластичности изделия. Например перед тем, как ковать или гнуть – применяется скорее не в быту, а при небольшом частном деле.

При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.

При проведении технологии нагрева следует следить за цветом заготовки. Он должен быть насыщенно-красным с оранжевым или желтоватым отливом в зависимости от типа. На поверхности не должно образовываться черных или иного цвета пятен.

Как правильно закаливать металл и железо, если нет специальной печи для обжига? Применять паяльную лампу или развести обычный костер – его температура и продолжительность горения достаточно велики для того, чтобы выполнить работу, не превышающую бытовых нужд.

Охлаждение можно проводить различными способами. Если срочно нужно сбить нагрев на одном участке изделия, то можно воспользоваться направленной струей холодной воды. Водное, а значит быстрое, остывание необходимо для легированных и углеродистых сталей. После нагрева следует взять элемент щипцами (если это небольшой нож, топор) и поместить в заранее подготовленную емкость с жидкостью. При отпуске следует охлаждать постепенно – сперва водой, а затем маслом.

И третий вариант – постепенное остывание на свежем воздухе. Тоже эффективный способ, когда нужно оставить небольшой эффект пластичности. Посмотрим видео по этой теме:

Способы закалки стали

Способ закалки выбирают в зависимости от химического состава стали и запланированных свойств.

Закаливание с охлаждением в одной среде

Скорость охлаждения стали после закалки зависит от среды, в которой оно проводится. Самую высокую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Такой способ используется для среднеуглеродистых низколегированных сталей и некоторых марок коррозионностойких сталей. При содержании углерода более 0,5% C и высоком легировании воду в качестве охлаждающей среды не применяют, поскольку такие сплавы покрываются трещинами или полностью разрушаются.

Прерывистая закалка в двух охлаждающих средах

Ступенчатую закалку применяют для деталей, изготовленных из сложнолегированных сталей. Крупногабаритные детали после нагрева на несколько минут окунают в воду, а затем охлаждают в масле до +320…300°C, после чего оставляют на воздухе. При охлаждении в масле до комнатных температур твердость изделия значительно снижается.

Изотермическая ТО

Закалка высокоуглеродистых марок – сложный процесс, состоящий из нормализации с последующим нагревом до температуры закалки. Нагретые детали опускают в ванну с селитрой, нагретой до температур +320…+350°C, выдерживают.

Светлая ТО

Такая термообработка применяется для высоколегированных сталей и заключается в их нагреве в среде инертных газов или в вакууме, что обеспечивает светлую поверхность металла. Светлая закалка используется в серийном производстве типовых изделий.

Термообработка с самоотпуском

При высокой скорости охлаждения внутри детали остается тепло, которое при постепенном выходе снимает напряжения внутренней структуры. Этот процесс можно доверить только специалистам, которые могут точно рассчитать время нахождения изделия в охлаждающей среде.

Струйная

Охлаждение осуществляют интенсивной струей воды. Такой процесс применяется при необходимости закаливания отдельных частей изделий.

Изготовление камеры для закаливания металла

Основным материалом для изготовления корпусов домашних печей для закалки стали являются твердые огнеупоры в виде блоков различных размеров и шамотная глина.
В такой печи достигается температура свыше 1200 °C, поэтому в ней можно закалить изделия не только из углеродистой или инструментальной, но и из высоколегированной стали. При изготовлении домашних печей из шамотной глины сначала делают картонный каркас по форме и размеру рабочей камеры, который затем покрывают слоем шамота.

Поверх его наматывают нагревательную спираль, а затем накладывают основной теплоизолирующий слой. При такой конструкции область нагрева изолирована от нагревательного элемента, что важно, когда необходимо закалить сталь, чувствительную к окислам и выгоранию углерода.

Самой же распространенной конструкцией домашних закалочных печей являются установки, тепловые корпуса которых выполнены из шамотного кирпича или аналогичных ему огнеупоров. Рабочая температура у таких материалов более 1400 °C, поэтому в подобных печах можно закалить практически любой вид стали и многие тугоплавкие сплавы.

Конструктивно такая домашняя печь похожа на обычную печь на дровах, только имеет гораздо меньшие размеры. Нагрев металла в ней осуществляется с помощью электрической спирали, уложенной в пазы по периметру внутреннего пространства.

Если необходимо качественно закалить сталь, ее необходимо нагреть до точно заданной температуры, поэтому большинство таких домашних самоделок оснащено терморегуляторами (их свободно можно приобрести на «Алиэкспресс»).

На видео ниже показано устройство такой домашней печи с торцевой загрузкой и терморегулятором, который позволяет закалить сталь с точным соблюдением температурных режимов. Ее тепловой корпус изготовлен из муллитокремнеземистых огнеупорных плит ШПТ-450.

Подробное описание конструкции и рекомендации по созданию печи с верхней загрузкой, в которой можно закалить изделия длиной до 54 см, можно посмотреть в следующем видео. Здесь тепловой корпус печи изготовлен из шамотного кирпича (типа ШБ) и также используется терморегулятор. Кроме верхней загрузки, особенностью этого устройства является спираль из кантала, который служит во много раз дольше традиционного нихрома и фехраля.

Оборудование для проведения закалки

Оборудование разделяется на две основные группы – установки для нагрева и ванны для охлаждения. На современных предприятиях для получения закалочных температур используются:

• муфельные термические печи;
• оборудование для индукционного нагрева;
• установки для нагрева в расплавах;
• аппараты лазерного нагрева;
• газоплазменные устройства.

Первые три типа установок востребованы для осуществления объемной закалки, три последние – для поверхностного процесса.

Закалочное оборудование – это стальные емкости, графитовые тигли, печи, в которых содержатся расплавленные металлы или соли. Закалочные ванны для жидких сред оборудованы системами обогрева и охлаждения. В их конструкции могут быть предусмотрены специальные мешалки для перемешивания жидких сред и устранения паровой рубашки.

Оборудование и особенности проводимого процесса

Для нагрева поверхности зачастую используется специальное оборудование. Это связано с тем, что провести нагрев стали до точки плавления достаточно сложно. В домашних условиях зачастую используется нижеприведенное оборудование:

1. электропечь;
2. паяльная лампа;
3. термопечь;
4. большой костер, который обложен вокруг для перенаправления жара.

Передвижной горн для нагрева деталей

При выборе источника жара следует учитывать тот момент, что деталь должна полностью помещаться в печи или костре, на котором проводится разогрев. Правильно будет подбирать оборудование также по типу металла, который будет подвержен обработки. Чем выше прочность структуры, тем больше разогревают сплав для придания пластичности.

В случае, когда нужно провести закалку лишь части детали, используется струйная закалка. Она предусматривает попадание струи холодной волы только на определенную часть детали.

Для охлаждения стали часто используется ванна с водой или бочка, а также ведро. Важно учитывать тот момент, что в некоторых случаях проводится поэтапное охлаждение, в других быстрое и резкое.

Технология закалочного процесса

Нагрев и выдержка

Температура нагрева стали при закалке зависит от ее химического состава. В общем случае наблюдается закономерность – чем меньше процентное содержание углерода, тем выше должна быть температура нагрева. Понижение температуры нагрева приводит к тому, что нужная структура не успевает сформироваться. Последствия перегрева:

• обезуглероживание;
• окисление поверхности;
• увеличение внутреннего напряжения;
• изменение структурных составляющих.

Изделия сложных форм предварительно подогревают. Для этого их два-три раза опускают на несколько минут в соляные ванны или держат короткое время в печах, нагретых до температур +400…500°C. Период выдержки определяется габаритами изделия и их количеством в печи. Все части изделия должны прогреваться равномерно.

Таблица температур закалки различных марок стали

Температуру нагрева измеряют с помощью пирометров – контактных и бесконтактных, инфракрасных приборов.

Охлаждение

Для охлаждения используется вода – чистая или с растворенными в ней солями, щелочные растворы. Для легированных сталей используется обдув или охлаждение в минмаслах. В изотермических и ступенчатых процессах для охлаждения используются расплавы солей, щелочей и металлов. Такие среды могут чередоваться между собой.

Отпуск

В зависимости от необходимой температуры отпуск осуществляется в масляных, щелочных или селитровых ваннах, печах с принудительной циркуляцией воздушных потоков, горячем песке.

Низкий отпуск, проводимый при +150…+200°C,служит для устранения внутренних напряжений, некоторого повышения пластичности и вязкости без существенного ухудшения твердости. Низкий отпуск востребован для измерительного и металлообрабатывающего инструмента, других деталей, которые должны сочетать твердость и устойчивость к износу.

Для быстрорежущих сталей отпуск осуществляют при температурах +550…580°C. Такую процедуру называют вторичным отвердением, поскольку она приводит к дополнительному росту твердости.

Как нарезать резьбу в каленом металле

Для этой операции также лучше всего подходят инструменты, изготовленные из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Для нарезания внутренних резьб используют метчики, а для наружных — плашки.

Технология нарезания внутренних резьб

Для нарезания внутренней резьбы определенного размера обычно используют три метчика: черновой (№1), получистовой (№2) и чистовой (№3).

Действуйте по следующей схеме.

1. Сделайте разметку.
2. Накерните отверстие.
3. Смажьте будущее отверстие и сверло.
4. Закрепите деталь.
5. Установите сверло.
6. Настройте режим резания. Обработку начинайте с малых оборотов. После погружения сверла в металл скорость можно понемногу увеличивать.
7. Просверлите отверстие под резьбу и раззенкуйте. Удалите стружку. Смажьте метчик №1 и заготовку.
8. Установите инструмент. Оси (его и отверстия) должны совпадать.
9. Сделайте первый проход. После каждого полного оборота метчика делайте пол-оборота в обратном направлении. При необходимости удаляйте стружку.
10. Сделайте проходы с применением получистового и чистового метчиков.

Технология нарезания наружных резьб

Для этого применяют плашки. Обрабатывайте заготовки по такой технологии.

1. Установите инструмент в держатель подходящего размера. Закрепите плашку при помощи винтов.
2. Сделайте фаску на конце заготовки.
3. Нанесите СОЖ на поверхности.
4. Наложите плашку на заготовку. Ее плоскость должна быть перпендикулярно оси обрабатываемой детали.
5. Нарежьте резьбу. После одного-двух-витков делайте возвраты на пол-оборота.
6. Удостоверьтесь в точности нарезанной резьбы.

Возможные дефекты после закалки

Нагрев, выдержку, охлаждение и отпуск стали осуществляют в соответствии с технологическими картами, разработанными специалистами. Нарушение разработанного и утвержденного техпроцесса и/или неоднородность структуры заготовки могут стать причиной появления различных дефектов. Среди них:

• Неравномерный нагрев и/или охлаждение. Приводят к деформациям и образованию трещин, неоднородному составу и неоднородным механическим характеристикам.
• Пережог. Возникает из-за проникновения кислородных молекул в металлическую поверхность. В результате образуются оксиды, изменяющие рабочие характеристики поверхностного слоя. Этот дефект возникает из-за выгорания из стали углерода, вызванного избыточным количеством кислорода в печи.
• Попадание в масляную охлаждающую ванну воды. Это нарушение техпроцесса приводит к появлению трещин на изделии.

Все перечисленные выше дефекты являются неисправимыми.

Как просверлить каленый металл

В первую очередь — перечислим основные особенности сверления заготовок и изделий из каленого металла. Для успешной обработки необходимо:

1. правильно подобрать сверло;
2. подготовить заготовку или изделие;
3. применять смазочно-охлаждающую жидкость.

Какой инструмент выбрать для сверления каленого металла

Для сверления каленого металла лучше всего подходят инструменты, изготовленные из сталей следующих марок.

1. Р18. Инструменты из стали этой марки — лучший выбор. Эти сверла по каленому металлу появились еще во времена СССР. Материал содержит до 18 % вольфрама. Это придает стали высокую прочность. Поверхности не перегреваются и изнашиваются медленно.
2. Р6М5К5. Сталь этой марки содержит 6% вольфрама и по 5 % молибдена и кобальта. Эти сверла по каленому металлу могут выдерживать максимальные тепловые нагрузки при обработке закаленных деталей и изделий.
3. HSS-Co. Это зарубежный аналог предыдущей стали.

Сверло по каленому металлу из стали марки HSS-Co

Мастера выбирают сверла из сталей именно этих марок из-за оптимального сочетания цены и эффективности обработки высокопрочных каленых металлов.

Обратите внимание! Перед сверлением необходимо тщательно очистить заготовку или изделия от масел, жиров и иных загрязнений.

Советы по применению СОЖ при обработке каленого металла

1. Добавляйте СОЖ на режущие кромки инструментов. В процессе обработки жидкость разлетается и испаряется. Смазку нужно своевременно обновлять.
2. Перед обработкой детали или изделия необходимо также нанести СОЖ на целевую поверхность.
3. Во время сверления каленого металла делайте небольшие перерывы для остывания заготовки и инструмента.

Характеристики стали

В контексте рассматриваемой темы у стали имеются две важные характеристики.

Закаливаемость

Данная характеристика отображает факт, насколько способна сталь становиться твердой после прохождения процедуры закалки. Существуют сплавы, свойства которых в результате данной термообработки, практически, не изменяются, то есть твердость остается на недостаточном уровне. О подобном металле говорят так: «не принимает закалку».

Металлургия объясняет высокую твердость углеродсодержащего мартенсита искаженностью его кристаллических ячеек. Данный фактор затрудняет пластическую деформацию материала. Показатель твердости растет с увеличением количества углерода. В цифрах это выглядит так: величина данного параметра, устанавливаемая по методике Роквелла с содержанием в стали элемента углерод (С) на уровне:

• 0,1%, равна 30НRС;
• 0,7%, составляет 64НRС.

Но дальнейшее увеличение количества углерода в сплаве не приводит к существенному росту значения показателя твердости. Все это отображено на графике.

На нем приняты такие обозначения:

• поз. «1» – температура разогрева превышает точку Ac3;
• поз. «2» – температура разогрева изделия составляет 770°С, что выше только точки Ac1;
• поз. «3» – показатель твердости мартенсита.

Обычно не подвергаются процедуре закалки сплавы с содержанием углерода меньше 0,3% по причине их низкой степени закаливания.

Прокаливаемость

Данная характеристика говорит о глубине закаливания стали. В ходе этого техпроцесса остывание сердцевины детали происходит медленней нежели ее поверхности. Объясняется данное явление непосредственным контактом наружного слоя с охлаждающей субстанцией, забирающей тепловую энергию. Иное дело с центральным фрагментом изделия. Его тепло передается по толще металла к приповерхностному участку, а там его поглощает все та же охлаждающая субстанция.

Прокаливаемость является характеристикой производной от критической скорости закаливания. Под таковой понимается наименьшая скорость переохлаждения всего аустенита до мартенситного структурного превращения. Глубина закаливания находится в обратно пропорциональной зависимости от этого параметра. То есть, чем скорость вышеуказанного процесса меньше, тем глубже происходит закаливание металла. Это ярко проявляется на сплавах с крупными и мелкими зернами. Первые прокаливаются на большую глубину чем вторые, поскольку они отличаются небольшой критической скоростью.

Температура закаливания

Основными критериями, на основе которых режимы закалки подразделяются на виды, являются температура разогревания и скорость протекания техпроцесса. Имеются также отличия по таким параметрам, как:

• временной интервал выдержки при определенных температурных показателях;
• скорость процедуры охлаждения.

В целом, по признаку «температура разогрева» закалка бывает двух типов. Рассмотрим их кратко.

Закалка полная

Полной закалкой обрабатывается сталь доэвтектоидная. Ее разогревают так, чтобы конечная температура превысила на 30°-50° критическую точку Ac3. Тогда смесь феррита с цементитом полностью трансформируется в аустенит. При дальнейшем охлаждении образуется, преимущественно, мартенситная структура.

Закаливание неполное

Процедуре неполного закаливания чаще всего подвергают стали инструментальные. Проведение термообработки данного вида преследует цель нагрева изделия до отметки начала протекания процесса формирования избыточных фаз. При этом требуется соблюдать такой температурный диапазон:

Ac1≤Т≤ Ac2, где

• Т – температура нагрева;
• Ac1, Ac2 – критические точки. В первой (+727°С) начинается перекристаллизация – перлит трансформируется в аустенит. Во второй(+768°С) α-Fе переходит в β-Fе и сталь утрачивает магнитные свойства.

При соблюдении такого температурного диапазона структура мартенсита после закалки стали сохранит некое количество феррита.
Неполная закалка заэвтектоидного сплава наиболее качественна, если изделие нагревается до отметки, превышающей Ac1 на 20°С-30°С. Тогда в процессе разогрева и остывания не будет преобразовываться цементит. Из-за этого повысится твердость мартенсита. При выходе температурных показателей нагрева детали за пределы вышеуказанного диапазона эта характеристика может, наоборот, ухудшится.