Каленый и закаленный - в чем разница? Закалка металла – виды, способы и методы

Эти понятия часто путают.

Термин «каление» в общем смысле означает «нагретый до высоких температур». И все. Применительно к металлам: достижение металлом определенной температуры сопровождается появлением характерного цвета - красного, желтого или белого. При нагреве в муфельной печи начало видимого свечения металла соответствует температуре порядка 600 о С. О цветах каления подробно сказано в Википедии:

Температура, о С	Цвет каления
550	Темно-коричневый
630	Кроичнево-красный
680	Темно-красный
740	Темно-вишневый
770	Вишневый
800	Ярко- или светло-вишневый
850	Ярко- или светло-красный
900	Ярко-красный
950	Желто-красный
1000	Желтый
1100	Ярко- или светло-желтый
1200	Желто-белый
1300	Белый

Цвет каления давал хорошее качественное представление о температуре металла - чем светлее, тем горячее. Поэтому тот кузнец, который мог лучше различать цвета и выбрать оптимальный цвет (= температуру), получал более качественные изделия.

(Понятно, что скверну выжигали каленым железом - самым эффективным, что было в арсенале средств борьбы. Понятно также, что это использовали и палачи - если железо красное, то точно будет больно, и очень. Относительно каленых орешков - их «калят», т.е. нагревают до высокой температуры для того, чтобы сделать скорлупу хрупкой и облегчить извлечение ядрышка. Т.е. в процессе нагрева орехов скорлупа меняет свои свойства. Собственно, то же самое относится и к семечкам. «Щелкать» можно только сушеные или жареные семечки, именно потому, что они сухие. С сырыми - не получится.)

Относительно металла. В первом приближении, если металл нагреть, а потом неспешно охладить, то по окончании охлаждения он будет таким же, как до нагрева (или почти таким же). На рисунке 1 показана в исходном состоянии (рис.1, а) и после нагрева до 900 о С (рис.1,б). Видно, что размер зерна не изменился, а вот структура внутри зерна, скорее всего, изменилась. Могли измениться и свойства. Тот и другой образец травили одинаково, однако структура выглядит по-разному.

а	б

Рисунок 1. Армко -железо в исходном состоянии (а) и после нагрева до высоких температур (б).

Что касается стали, если нагреть ее до температуры существования аустенита, да еще выдержать при этой температуре, то может измениться размер аустенитного зерна; это окажет влияние на свойства. Но это уже дальше от нашей темы.
А вот если охладить сталь быстро, то состояние ее кардинально изменится. Это будет уже закаленная сталь.
Закалка стали - это вид термической обработки , который заключается в нагреве стали на 30—50 ºС выше критической точки (выше А с1 для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей и выше А с3 для доэвтектоидных), выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической. Целью закалки является получение структуры мартенсита, который придает стали совершенно другие свойства.
Закалка имеет смысл только для сплавов с переменной растворимостью легирующих элементов при изменении температуры (есть «закалка вакансий », но это не тема данной статьи). Поэтому закалка, например железа, не имеет смысла с технологической точки зрения.
Закалка интересна именно большой скоростью охлаждения, поскольку позволяет 1) зафиксировать высокотемпературное состояние (например пересыщенный твердый раствор) и/или 2) создать структуру, имеющую определенные свойства, отличающиеся от свойств медленно охлажденного металла. Результат закалки показан на рисунке 2. В стали, не прошедшей закалку, структура представляет собой зерна феррита и перлита (рис.1, а). После закалки сталь имеет структуру мартенсита (рис.1,б) Соответственно, свойства стали до и после закалки будут разными.

Рисунок 2. Сталь до (а) и после (б) закалки.

Т.е., когда вместо «закаленный» говорят «каленый», это неверно.

В литературных источниках, в том числе в интернете, упоминаются каленые стрелы.Да, стальные стрелы могли иметь закаленный наконечник. Но не каленый. Вероятно, смешение понятий получилось потому, что сначала этот наконечник надо нагреть до температуры каления. Собственно, температура закалки для разных сталей составляет примерно от 850 до 1100 о С и лежит как раз в интервале цветов красного и желтого каления.
Есть еще интересный момент. Если стрелы (или наконечники к ним) ковали в кузнице, то для этого надо было их разогреть до высокой температуры. Это делалось на раскаленных углях, другого способа раньше не было. Т.е. имела место твердая цементация. Оптимальная температура цементации 830-850 о С, т.е. опять же попадаем в интервал температур красного каления. После изготовления наконечники охлаждалось в воде. Ну, а термической обработкой после цементации является, в том числе и закалка.
Насчет каленых деревянных стрел. Возможно, их обжигали на огне для придания лучших свойств. Тогда точно «каленая». Но это уже к специалистам по обработке древесины.
Подведем итог для металлов:
1. Каленый - претерпевший нагрев до высокой температуры, изменение свойств не предполагается;
2. Закаленный - прошедший термическую обработку (закалку) с целью изменения свойств.

Слово «термообработка» для обывателей не ново. Все прекрасно понимают, для чего она необходима. Повышение прочности стали. Но почему так происходит? Какие процессы протекают в металле в этот момент? Большинство пожимает плечами. Если Вы хотите понять, что такое термообработка, узнать в чем разница между отжигом и отпуском, и почему закалка стали 45 производится в масле, а не в воде, то тогда эта статья для Вас.

Общие сведения о термической обработке

Термообработка - это последовательность процессов нагревания, выдержки и охлаждения, направленных на изменение сталью механических свойств.

Улучшения свойств металла происходит за счет трансформации внутренней структуры. После осуществления термической обработки сталь может находиться в 2-х состояниях: устойчивом и неустойчивом.

Устойчивое состояние характеризуется полным завершением всех протекающих процессов в стали. Неустойчивое, соответственно, наоборот, когда на сталь еще воздействуют факторы, мешающие стабилизации внутренних напряжений. Ярким примером является химическая неоднородность закаленной стали.

Повышение теплового движения молекул способствует ускорению выхода стали из неустойчивого состояния. Достигается это путем нагрева.

Для большего понимания процессов, происходящих в стали во время термообработки, введем несколько понятий о структуре металла. Под этим понимается размер внутренних зерен и их положение относительно друг друга. Каждой структуре соответствует определенная температура и определенное содержание углерода.

Основные их виды и свойства, которыми они обладают:

• Феррит - твердый раствор железа с углеродом и небольшой долей других химических элементов. Ферромагнитен. Ферритная сталь обладает высокой тепло- и электропроводимостью. Пластична. Твердость порядка 70-140 единиц по шкале Бринелля.
• Цементит - неустойчивое соединение углерода с железом. Очень тверд и хрупок (НВ 790-810). Не поддается намагничиванию.
• Перлит - фазовый раствор феррита и цементита. На его механические свойства в первую очередь оказывает влияние расстояние между фазами. Чем они ближе, тем сталь прочнее. Твердость находится в пределах 160-230 НВ, при относительном удлинении 9-12%.
• Мартенсит - перенасыщенная физико-химическая смесь углерода и железа. Значение его механических характеристик зависит от количества углерода в составе. Мартенситная сталь с концентрацией 0,2% С обладает твердостью около 35 HRC. При 0,6% твердость составляет 60 HRC.
• Аустенит - твердый раствор углерода в железе. Аустенитная сталь парамагнитна и пластична. Относительное удлинение составляет 42%.

Сам процесс термообработки включает в себя:

• Закалка.
• Отжиг.
• Нормализация.
• Отпуск.

Отжиг

Процесс отжига состоит из нагревания, выдержки и медленного охлаждения в печной среде.

Существует две его основные разновидности:

• Отжиг первого рода, при котором структура в сталях не претерпевает изменений.
• Отжиг второго рода, сопровождающийся трансформациями структурных зон.

Каждая из представленных видов термообработки имеет определенное назначение.

Отжиг первого рода выполняет следующие технологические задачи:

• Выравнивание химсостава стали. При обработке металла давлением ликвация становится причиной образования изломов и микротрещин. Для уменьшения их вероятности появления сталь нагревают до 1250 ºС и выдерживают ее при такой температуре на протяжении 8-15 ч.
• Увеличение обрабатываемости стали давлением. Термообработка проходит при 670 ºС с выдержкой 40-120 мин. Отжиг увеличивает зерна феррита, что положительно влияет на пластичность.
• Уменьшение остаточных напряжений, возникших после технологической обработки сталей: резание, сварка и прочее. Для этого сталь выдерживают при 500-620 ºС на протяжении двух часов.

Отжиг второго рода измельчает зерна стали и способствует образованию структуры феррит +перлит. Как результат, происходит увеличение механических свойств. Температура нагрева для стали 45 составляет 780-830 ºС.

Отжиг второго рода считается подготовительной термообработкой. Его проводят перед операциями резания для повышения обрабатываемости металла.

Нормализация

Это процесс нагревания стали и последующее охлаждение на воздухе, в результате которого происходит измельчение крупнозернистой структуры.

Если сравнивать с отжигом, то нормализация дает в среднем на 10% выше показатель вязкости и прочности. Причина этого кроется в охлаждении на воздухе, которое способствует разложению аустенитных фаз в нижней зоне температур. Как следствие, наблюдается увеличение перлита, что и является причиной повышения механических свойств.

Нормализация - альтернатива закалке и высокому отпуску. Конечно, на выходе механические свойства получаются ниже, но и сама нормализация менее трудоемка. К тому же, по сравнению с закалкой она вызывает меньшие тепловые деформации детали.

Отпуск

Это термообработка, которая всегда проводится на заключительном этапе. Она включает в себя нагревание закалённой стали до температурной точки трансформации перлита в аустенит и дальнейшее ее охлаждение. С его помощью механические характеристики сталей доводятся до требуемых значений.

Помимо этого, в задачу отпуска входит снятие напряжений, оставшихся после закалки.

Отпуск подразделяется на 3 типа по температуре нагрева:

• Низкий отпуск. Проводится при 230-260 ºС. Способствует упрочнению с одновременным снижением внутренней напряженности. Закаленная сталь 45 после низкого отпуска обладает твердостью 55-60 HRC.
• Средний отпуск. Температура нагревания 340-550 ºС. Позволяет достичь наиболее высокого значения упругих свойств. Из-за этого в основном применяется при изготовлении пружин. Твердость находится на уровне 45-52 HRC.
• Высокий отпуск. Выполняется при 550 ºС. Снимает внутренние напряжения после закаливания.

Механические свойства уменьшаются, но значение их при этом не меньше, чем после нормализации и отжига. Также происходит увеличение ударной вязкости. Самой оптимальной термообработкой с точки зрения соотношения вязкости и прочности считается закалить сталь, а после провести высокий отпуск.

Закалка

Представляет собой процесс нагрева до температуры на 20-40 ºС выше точки растворения феррита в аустените и последующее быстрое охлаждение в воде или масле.

Образование значительных внутренних напряжений при закалке не позволяет ей быть окончательной термообработкой. Обычно за ней следует отпуск или нормализация.

В результате нагрева сталь получает аустенитную структуру, которая, охлаждаясь, переходит в мелкоигольчатый мартенсит .

Закалка стали 45 осуществляется при 840-860 ºС.

Если сталь закалить, не достигнув значения требуемой температуры, то в результате останутся ферритные зоны, чье присутствие значительно снижает прочность металла.

Если сталь 45 закалить при температуре выше 1000 ºС, это спровоцирует увеличение зерна мартенсита, что влечет за собой ухудшение вязкости и повышение риска образования трещин.

Нагрев сталей под закалку осуществляется в электропечах периодического или непрерывного действия.

Время нагрева зависит от:

• Химсостава стали.
• Формы и габаритов деталей.

Чем больше размеры и содержание углерода, тем большее количество времени необходимо для нагрева стали.

После нагревания стали идет ее выдержка при заданной температуре. Это необходимо для выравнивания неоднородности аустенита.

При сильном перегреве сталь начинает вступать в реакцию с печными газами. Это может повести за собой процессы окисления и обезуглероживания.

Окисление - химический процесс взаимодействия кислорода с железом. Оно отрицательно сказывается на свойствах стали, является причиной снижения качества поверхности и окалин.

Обезуглероживание возникает как следствие химической реакции углерода с водородом и кислородом. Как следствие, образуя такие соединения как угарный газ и метан. Полученные газы уносят вместе с собой с поверхности стали молекулы углерода, вызывая тем самым резкое снижение прочности.

Защитой стали от окисления и обезуглероживания служит осуществление нагревания в вакууме или расплавленной соли.

В качестве закалочных сред применяется вода или масло.

Вода обладает большой скоростью охлаждения, но она резко падает при увеличении температуры. Также недостатком воды является возникновение значительных напряжений и, соответственно, коробление деталей.

Масло в этом плане охлаждает более равномерно, что уменьшает риск образования микротрещин при закалке. Среди ее недостатков стоит отметить низкую температуру воспламенения и загустение, что уменьшает ее закалочные свойства.

Разная сталь имеет разную закаливаемость, т.е. способность увеличивать прочность посредством закалки. Как правило, чем выше концентрация углерода, тем выше закалочные свойства.

Закалка ТВЧ

Если сталь закалить таким образом, то она будет лучше справляться с переменной и ударной нагрузкой. Закалка ТВЧ считается разновидностью поверхностной закалки, основная задача которой получение более прочного наружного слоя, сохраняя при этом вязкость сердцевины.

Нагрев под закалку ТВЧ осуществляют в индукционных печах, используя ток высокой частоты. Принцип данной термообработки заключается в неравномерном нагреве сечения изделия. Плотность тока на наружней части стали значительно выше в сравнении с сердцевиной. Основная часть тепла приходится на поверхность, соответственно, именно в этой зоне и происходит упрочнение.

Закалкой стали называют такую операцию термической обработки, при которой стальные детали нагревают до температуры, несколько выше критической, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают в воде или масле.

Основное назначение закалки - получение стали с высокими твердостью, прочностью, износостойкостью и другими свойствами. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения.

Температуру нагрева под закалку для большинства сталей, в том числе и легированных, определяют по положению критических точек А с1 и А с3 . Для углеродистых сталей температуру закалки можно легко установить по диаграмме железо - углерод .

Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.

Скорость нагрева

Закалочные среды.

Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред

Из таблицы видно, что в 10-процентном водном растворе едкого натра или поваренной соли скорость охлаждения стали в области трооститных превращений (600-600°С) в два раза больше скорости охлаждения в пресной воде. В области мартенситных превращений (300-200°С) соленая и пресная вода охлаждают сталь почти одинаково. Это преимущество водных растворов солей используется в практике термической обработки. Однако термисты чаще всего применяют 5-10-процентный раствор поваренной соли, так как он не разъедает сталь и не действует на руки рабочих, как обезжиривающий едкий натр (каустик).

Для закалки инструмента из сталей У10, У12 водные растворы, чтобы уменьшить коробление стальных деталей, обычно подогревают до 30°С.

В отличие от воды закаливающая способность масла мало зависит от температуры, а скорость охлаждения в масле во много раз меньше, чем в воде. Поэтому, чтобы уменьшить напряжение и избежать образования закалочных трещин, для закалки легированных сталей с более низкой теплопроводностью, чем у углеродистых сталей, используют минеральное масло - веретенное № 2 и 3. При отсутствии масла рекомендуется применять горячую воду (80°С).

Для получения стабильных результатов при закалке необходимо пользоваться одним сортом масла, периодически меняя его или освежая.

Следует отметить, что в процессе охлаждения при закалке в воде вокруг деталей образуется проводником тепла, то скорость охлаждения стали резко уменьшается. Кроме того, паровая рубашка ухудшает прокаливаемость стали, приводит к появлению мягких пятен на поверхности закаливаемых деталей, а иногда и трещин. Поэтому опытные термисты обычно закаливают детали в циркулирующей воде, непрерывно перемещая их в вертикальном или горизонтальном направлениях.

Внутренние напряжения.

В процессе термической обработки, вследствие неодновременности превращений и теплового расширения и сжатия, в разных точках обрабатываемой детали возникают внутренние напряжения. Напряжения могут превосходить не только предел упругости или предел текучести, но и сопротивление разрушению. В последнем случае внутренние напряжения образуют трещины или даже разрушают деталь.

Внутренние напряжения могут быть двух видов - термические и структурные. Термические внутренние напряжения возникают вследствие неравномерности, охлаждения поверхности детали и ее внутренних слоев.

Если деталь имеет сплошное сечение, то при любом охлаждении поверхность охлаждается быстрее, а сердцевина - медленнее. В результате во время охлаждения деталь будет иметь разные температуры и разный удельный объем в разных точках по сечению. Эта разность температур будет тем больше, чем больше отличаются скорость охлаждения на поверхности от скорости охлаждения в центре детали.

Стали, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, обладают меньшей теплопроводностью, чем углеродистые, и при закалке скорость их охлаждения на поверхности детали и в центре будет весьма большая.

Для уменьшения скорости охлаждения при закалке и снижения напряжений в них такие детали из легированной стали подвергаются медленному охлаждению только в масле или струе воздуха.

Структурные внутренние напряжения, как и термические Напряжения, возникают вследствие неодновременности превращений во время охлаждения металла и вследствие различных структурныхпревращений в разных точках сечения детали.

Так, при охлаждении высокоуглеродистой стали, нагретой выше критической точки, аустенит превращается в мартенсит и эти превращения сопровождаются изменением объема (образование мартенсита всегда увеличивает объем). Поверхностные слои, где превращения заканчиваются рано, охлаждаясь, испытывают растягивающие напряжения от промежуточной зоны, в которой превращения продолжаются. С течением времени превращения охватывают все более глубокие слои в детали и доходят до сердцевины. Но этим превращениям в сердцевине препятствуют наружные остывшие слои. Следовательно, в сердцевине нарастают сжимающие напряжения, а с поверхности растягивающий момент наибольшей разности напряжений всегда опасен, так как часто вызывает появление в металле трещин. Установлено, что трещины вызывают не сжимающие напряжения, а растягивающие.

На величину остаточных напряжений влияет ряд факторов. Наиболее существенными из них являются: свойства стали (прокаливаемость, температура мартенситного превращения, коэффициент линейного расширения), среда и условия охлаждения, а также форма и размер детали.

Способы закалки.

Под способами закалки подразумевают способы охлаждения деталей в закалочном баке и выбор закалочного охлаждения для получения заданной структуры металла. Чем сложнее по форме деталь, тем серьезнее следует подходить к выбору ее охлаждения. Резкие переходы в сечениях деталей, способствуют различных способов закалки, концентрации внутренних напряжений. Поэтому нужно выбирать такой способ закалки, чтобы детали получались с хорошей твердостью, необходимой структурой и без трещин.

Основными способами закалки стали являются: закалка в одном охладителе, в двух средах, струйчатая, с самоотпуском, ступенчатая и изотермическая закалки.

Закалка в одном охладителе -наиболее простой и распространенный способ. Деталь, нагретую до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость, где она находится до полного охлаждения. Этот способ используют при закалке несложных деталей, изготовленных из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей охлаждаются в воде (за исключением деталей диаметром не более 3-5 мм); а детали из легированных сталей - в масле. Можно использовать такой способ и при механизированной закалке, когда детали автоматически поступают из агрегата в закалочную жидкость.

Для высокоуглеродистых сталей такой способ закалки неприемлем, так как в процессе закалки создаются большие внутренние напряжения. Высокоуглеродистые стали закаливают с подстуживанием, т. е. нагретую деталь перед охлаждением некоторое время выдерживают на воздухе. Это уменьшает внутренние напряжения в деталях и гарантирует их от образования трещин.

Закалка в двух средах, или прерывистая закалка , - это способ, при котором деталь сначала охлаждают в одной закалочной быстроохлаждающей среде - воде, а затем переносят ее в медленноохлаждающую среду - масло. Он применяется при закалке инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Недостаток прерывистой закалки заключается в том, что трудно установить время пребывания детали в первой охлаждающей жидкости, так как оно очень незначительно (1 сек. на каждые 5-6 мм диаметра или толщины детали). Излишняя выдержка в воде ведет к увеличению коробления и появлению трещин.

Применение прерывистой закалки требует от термиста высокой квалификации и опыта.

Струйчатая закалка осуществляется охлаждением деталей, нагретых до температуры закалки, струей воды. Такой способ применяют для закалки внутренних поверхностей, высадочных штампов, матриц и другого штампового инструмента, у которого рабочая поверхность должна иметь структуру мартенсита.

При струйчатой закалке паровая рубашка не образуется, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде. Скорость охлаждения при этом зависит от температуры, напора воды, диаметра и количества отверстий в брызгале и от угла, образованного струей воды с охлаждаемой поверхностью детали.

Закалка с самоотпуском - это способ, заключающийся в том, что детали выдерживают в охлаждающей среде не до полного охлаждения, т. е. в определенный момент охлаждение прекращают, чтобы сохранить в сердцевине детали тепло, необходимое для самоотпуска. Этот момент устанавливается опытным путем, поэтому качество термической обработки будет во многом зависеть от мастерства термиста.

Контроль за температурой отпуска при этом способе закалки осуществляется по цветам побежалости, возникающим на светлой поверхности детали. Появление цветов побежалости при температуре 200-300°С объясняется образованием на поверхности стали тонкой пленки окисла, цвет которого зависит от его толщины. Например, за небольшой промежуток времени при 220°С сталь покрывается слоем окисла, толщиной 400-450 ангстрем, который придает поверхности светло-желтый цвет.

Закалку с самоотпуском применяют только для закалки ударного инструмента - зубил, бородков, кернов и т.. д., так как у такого инструмента твердость должна равномерно и постепенно понижаться (от рабочей части к хвостовой).

Ступенчатая закалка - это такой способ, при котором нагретые детали охлаждают в медленно охлаждающей закалочной среде (например, расплавленная соль, горячее масло), имеющей температуру для данной стали выше мартенситной точки М н. За время короткой выдержки в горячей среде (масле) температура выравнивается, причем это происходит раньше, чем начинается мартенситное превращение. После этого осуществляется окончательное, обычно медленное охлаждение, во время которого деталь закаливается.

Ступенчатая закалка способствует уменьшению внутренних напряжений, происходящих благодаря незначительной скорости охлаждения. В результате уменьшается деформация деталей и почти полностью исключается возможность появления закалочных трещин.

Ступенчатую закалку широко применяют в массовом производстве, особенно при изготовлении инструмента. Она позволяет править и рихтовать детали в горячем состоянии, так как в момент превращения сталь обладает большой пластичностью.

Для ступенчатой закалки целесообразнее всего использовать глубоко прокаливающиеся углеродистые и легированные стали марок 9ХС, ХГ, ХВГ и др.

Изотермическая закалка - это способ, состоящий в нагреве деталей до заданной температуры и охлаждении в изотермической среде до 220-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения.

Выдержка деталей в закалочной среде при такой закалке должна быть достаточной для полного превращения аустенита в игольчатый троостит. После этого производится охлаждение на воздухе. При изотермической закалке выдержка при температуре ступеньки значительно больше, чем при ступенчатой закалке.

Закалочные среды для изотермической закалки те же, что и для ступенчатой. После изотермической закалки сталь приобретает высокую твердость и более высокую вязкость.

При изотермической закалке необходима достаточно высокая и равномерная скорость охлаждения, что достигается применением ванн с интенсивно перемешивающейся закалочной средой.

Изотермическую закалку используют при термической обработке, когда нужно получить детали с максимальной прочностью, достаточной пластичностью и вязкостью. Наиболее целесообразно применять изотермическую закалку для тех сталей, которые имеют небольшую устойчивость аустенита в области изотермической выдержки.

Дефекты, возникающие при закалке. В процессе закалки при охлаждении стали в результате структурных превращений и изменения объема металла появляются внутренние напряжения. Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образованию трещин, деформации и короблению, изменению объема стали, обезуглероживанию и окислению, появлению мягких пятен, низкой твердости и перегреву.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. В крупных деталях, например в матрицах и ковочных штампах, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150-200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве), большой скорости охлаждения и при несоответствии химического состава стали.

Закалочные трещины возникают также при неправильной конструкции деталей, резких переходах, грубых рисках, оставшихся после механической обработки, острых углах, тонких стенках и т. д.

Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в деталях внутренних напряжений. Это часто наблюдается при закалке легированных сталей. Поэтому детали из этих сталей нагревают медленнее, чем из углеродистых, и более равномерно.

Закалочные трещины обычно располагаются в углах деталей и имеют дугообразный или извилистый вид.

В заводской практике часто встречаются поверхностные трещины, которые обычно располагаются в виде сплошной или разорванной сетки. Такие трещины возникают в процессе поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газопламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холодной водой, а также при перегреве металла.

Поверхностные трещины могут возникать не только в процессе термообработки, но и при шлифовании закаленных деталей, если они были неправильно отпущены.

Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы шлифования полностью устраняют возникновение трещин.

Во избежание бравсе участки (части) деталей, на которыхобычно появляются трещины, обматывают асбестовым шнуром и замазывают огнеупорной глиной. Строгое выполнение технологических режимов закалки может сократить количество бракованных деталей до минимума.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

При закалке стали, коробление во многих случаях происходит и без значительных объемных изменений, в результате неравномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом удлиняется благодаря тепловому расширению и становится выпуклой, а противоположная - вогнутой. При одностороннем охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет вогнутой, а обратная сторона - выпуклой. Следовательно, нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно.

На деформацию особенно большое влияние оказывает способ охлаждения. Поэтому при погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Например, детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные осевые детали (ходовые винты, штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) - в строго вертикальном положении, а тонкие плоские детали (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром.

Очень большое значение для уменьшения деформаций и коробления деталей имеют правильно выбранные и изготовленные приспособления.

При газовой цементации и нитроцементации зубчатых колес, шлицевых и шестеренных валиков, поршневых пальцев, крестовин и других деталей простой и сложной конфигурации применяются специальные и универсальные приспособления.

Для цементации рессорных пальцев используются приспособления с отверстиями.

Шестеренные валики обычно подвергаются химико-термической обработке в универсальных приспособлениях.

При массовом производстве для каждой детали изготовляются специальные приспособления. Стоимость их изготовления быстро окупается. При серийном производстве, когда обрабатываются большие партии разнообразных деталей, более экономично иметь универсальные приспособления.

Приспособления изготовляются литые и сварные из жароупорного сплава Х18Н25С2.

Многие детали - зубчатые колеса, диски, плиты во избежание коробления закаливаются в специальных прессах в штампах.

Обезуглероживание происходит в основном при нагреве в электрических печах и жидких средах (соляных ваннах). Обезуглероживание инструмента - самый серьезный дефект при закалке, так как он в несколько раз снижает стойкость инструмента. Однако заметить такой дефект на готовом инструменте трудно.

На деталях из конструкционных сталей окисление и обезуглероживание легко обнаружить при изготовлении микрошлифа.

Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнений, вызванных соприкосновением деталей друг с другом в процессе охлаждения в закалочной среде, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.

Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600-625°С, а затем - нормальной закалке.

Перегрев при закалке вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки А С3 -для доэвтектоидных сталей и А с - заэвтектоидных сталей.

При недогреве структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который, как известно, имеет низкую твердость.

Недогрев можно исправить отжигом с последующей нормальной закалкой.

Быстрорежущие, нержавеющие и другие специальные стали закаливают при более высоких температурах нагрева, чем углеродистые и малолегированные конструкционные и инструментальные. Например, для нержавеющей стали марки 4Х13 температура под закалку берется равной 1050 - 1100°С.

Быстрорежущую сталь Р18 закаливают при температуре 1260 - 1280°С (для инструмента диаметром 10 - 15 мм - сверл, разверток и т. д.) и 1280 - 1300°С (для инструмента простой формы - резцов). Такая высокая температура нагрева под закалку быстрорежущей стали необходима для того, чтобы полнее растворить избыточные карбиды и больше перевести их в твердый раствор хрома, вольфрама, ванадия и других легирующих элементов, входящих в состав стали.

Скорость нагрева . Нагрев стали определяется не только допустимой, но и возможно скоростью нагрева. Допустимая скорость должна быть такой, чтобы нагрев не вызывал больших напряжений, приводящих к образованию трещин в деталях.

Скорость нагрева зависит от формы детелей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Напрмер, шар нагревается в три раза, а цилиндр - в два раза медленнее, чем пластинка. С увеличением скорости нагрева производительность нагревательных печей и агрегатов тоже повышается.

Скорость нагрева зависит также от расположения деталей в печи. Если детали плотно распологаютя одна к другой и мешают необходимому доступу тепла, то потребуется больше времени для их прогрева.

Для расчета времени нагрева деталей термисты обычно пользуются технологическими картами.

В технологическую карту входит перечень всех операций обработки детали или группы деталей с указанием подробных данных по этим операциям (температура, время выдержки, среда и температура охлаждения и применяемые приспособления).

Среднее время нагрева деталей из углеродистых сталей под закалку в различных средах.

Время нагрева деталей под закалку в различных средах

Для проведения любого теплового процесса термической обработки нужно не только нагревать металл до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений (растворения карбидов, гомогенизации аустенита) и полного прогрева деталей. Таким образом, общее время пребывания деталей в нагревательной среде состоит из времени нагрева и времени выдержки.

Закалочные среды. Для охлаждения стальных деталей при закалке обычно применяют различные закалочные среды: воду, водные растворы солей, расплавленные соли, минеральные масла и т. д. Закалочные среды резко отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, т. е. они с разной интенсивностью отнимают тепло от нагретых под закалку деталей.

Наилучшей закалочной средой считается та, которая быстро охлаждает сталь в интервале температур 650-500°С (область наименьшей устойчивости аустенита) и медленно - ниже 300-200°С (область мартенситного превращения). Однако единой, универсальной закалочной среды пока еще нет, поэтому на практике пользуются различными средами.

Может появиться в любой момент. На рынке продаётся большое количество разных инструментов, которые могли не закалять при изготовлении или,наоборот, переусердствовали с температурой при термической обработке. К примеру, можно вспомнить всем известные свёрла для дрели. Если сталь не закалена до нормы, она будет гнуться. В случае когда сталь закалена слишком сильно, сверло, скорее всего, начнёт крошиться.

Подобное описание подходит к любым стальным материалам. Проверить в магазине металл, естественно, не получиться. В таком случае остаётся только один вариант, речь идёт о закалке стали в домашних условиях.

Проверка металла на качество в домашних условиях

Первым делом после покупки металлического предмета нужно проверить его качество. Сделать это можно при помощи простого паяльника. Конец паяльника проводится по металлу , чтобы выяснить дефекты при разработке инструмента. Если паяльник прилипает к поверхности, значит, сталь, не закалена, и при частом использовании инструмент деформируется. Если, наоборот, конец паяльника проходит плавно по стали и почти отскакивает от неё, значит, металл закалён слишком сильно. В таком случае нужно сделать термальную обработку стального инструмента для повышения его прочности.

Методика закалки

В интернете можно найти большое количество методик и видео закаливания металлических предметов, но большинство из них предусматривает наличие специального оборудования, но есть способы, которые помогают повысить качество стали подручными средствами.

Вначале нужно определить, что собой представляет закалка стали. Основной процесс подразделяется на две части, а точнее, говоря, разогрев металла до высокой температуры и последующее охлаждение. Процесс выглядит только на первый взгляд простым, а ведь приходиться учитывать структуру и характеристики металла . Если без анализа стали начать её разогрев, материал, скорее всего, деформируется. Особенно часто деформация происходит с малоуглеродной сталью, поэтому если структура металла неизвестна, лучше не применять термическую обработку.

Закалка стали оправдана только в некоторых случаях.

1. Необходимость в повышении прочности инструмента . К примеру, это может быть обычная кухонная утварь, стамеска или зубило.
2. Повышение пластичности металла также требует термической обработки для дальнейшего упрощения работы при горячей ковке.

Заказать услугу по закалке стали можно и у специалистов, тем более что стоимость приемлемая. За 1 кг металла большой конструкции кузнецы обычно берут не больше 100–150 рублей. Если закаливать мелкие детали, то расценки составляют около 6–20 рублей. Это не будет гарантировать качества инструментов, поэтому многие и стараются применять термическую обработку в домашних условиях , чтобы самостоятельно следить за процессом.

Первым делом при разогревании стали нужно запомнить некоторые правила. Сталь можно и испортить, если поднимать температуру металла выше нормы. В таком случае инструмент может приобрести чёрный или синий оттенок , который в итоге нельзя будет даже сточить наждачной бумагой. Для того чтобы подобного дефекта не было, металл должен иметь в своей структуре достаточное количество углерода, а также нельзя переусердствовать с повышением температуры. Обычно сталь считается разогретой, если появляется красный оттенок.

Для термической обработки стальных инструментов может подойти резак, паяльная лампа, электрическая или газовая плита. В некоторых случаях разогрев металла можно производить и на костре . Фактически разницы нет в том, где лучше разогревать металлическое изделие. Просто на открытом воздухе, при разогреве с помощью костра, может не хватить энергии тепла для достижения необходимой температуры. Поэтому важно заранее уточнить температуру плавления и закалки материала.

Необходимо определиться и с охладителем при термической обработке. Для этого подойдёт любая ёмкость с водой, главное, чтобы инструмент поместился полностью. Если проводится закалка стали расходных материалов, то тут можно использовать и простую обрезанную бутылку. В случае проведения термической обработки топора, лома и других подобных инструментов, нужно выбирать ёмкость с большим объёмом. В некоторых случаях может подойти даже ванна, тем более что риска её деформации нет.

Охладитель подбирается не только с учётом размера стального предмета, но и способа термической обработки. Иной раз нужно закалить только определённый участок , и в этом случае можно использовать только струйное охлаждение. Точнее говоря, на материал каплями выливают простую воду в участок, который требует закалки. Особенно часто такой метод используется при термической обработке сверла для дрели или на гвоздях для повышения качества наконечника. Методику закалки можно разделить и на несколько уровней.

Выделяют следующие уровни охлаждения:

• резкое;
• разовые;
• постепенное.

Для одинарного охлаждения чаще всего используется простая ёмкость с водой. Если используется охлаждение в две стадии, то в процессе применяется два разных средства. Это, свою очередь, повышает не только качество, но и появляется отпуск стального материала. В первую очередь сталь опускают в простую воду, а потом переставляют для дальнейшего охлаждения в машинное или минеральное масло . Процесс достаточно опасный, ведь нужно охладить изделие в воде, чтобы не произошло воспламенение масла.

Закалка стали на открытом огне

Как закалять металл в домашних условиях на открытом огне? Вопрос достаточно распространённый, и есть масса методик. Проводить термическую обработку на открытом костре, может быть, и не так эффективно, но при этом понижается опасность возникновения пожара , особенно при использовании масла во время охлаждения стального материала.

Первым делом нужно подготовить инструменты. Необходимо взять стальной материал, который будет проходить термическую обработку, кузнечные клещи или аналоговый инструмент и две тары. В одну ёмкость следует налить воду, а в другую тару добавляется машинное или дизельное масло.

После этого следует развести огонь, при этом использовать большое количество угля. В отличие от большинства методик разогрева металла, тут материал нужно положить прямо на угли и желательно, чтобы они были белого цвета, ведь именно они выдают наибольшую температуру. Огонь, который будет обволакивать сталь, обязан быть малинового цвета. Если появляется огонь белого цвета, то можно считать, что стальной материал начал гореть . Спасти его в таком случае невозможно, поэтому до такой стадии плавления лучше закалку не доводить.

Нельзя также допускать, чтобы на металлическом изделии появлялись чёрные или синие пятна. Синий цвет свидетельствует о том, что сталь слишком размягчилась и начала деформироваться, поэтому время от времени стоит проверять оттенок материала. Полная деформация металла происходит, когда предмет приобретает белый цвет.

После того как стальной материал разогрелся, нужно вытащить его из огня и опустить в масляную жидкость. Металл следует обмакивать несколько раз с промежутком в три секунды, постепенно увеличивая это время. Главное, всё выполнять без спешки, но и медлить нельзя, ведь обмакивать сталь можно только в том случае, если материал имеет соответствующий оттенок нагрева . После этого металлическое изделие помещается в простую воду, но тут стоит быть предельно внимательным, так как оставшиеся капли от масла могут просто вспыхнуть. Если процедура проведена с учётом всех рекомендаций, металлическое изделие можно просто оставить в воде до полного остывания.

Важно также запомнить, что в отличие от обычных инструментов, вытянутые предметы, например, сверла или гвозди, нельзя опускать в воду боком , так как нижняя часть из-за высокой температуры и резкого соприкосновения с водой может просто сплющиться. Такие вытянутые предметы опускаются воду вертикально, причём концом, который имеет больший диаметр.

Закалка стали в домашних условиях на плите или костре подходит только в тех случаях, когда используется простой тип материала. При закалке цветного металла требуется слишком высокая температура, которая равняется 600–900 градусам. Добиться такого результата можно при помощи доменных печей, но не в домашних условиях.

Заключение

Использование термической обработки металла может повысить качество инструментов или расходного материала. При проведении закалки стали в домашних условиях важно помнить основные рекомендации, чтобы не деформировать материал.

Без термообработки в работе с металлами не обойтись. Оттого насколько правильно была проведена термическая обработка зависят качественные характеристики металлического изделия. Его прочность и долговечность в службе. В этой статье вы сможете узнать как правильно проводить термообработку (закалку) стальных изделий

Закалка стали

Закаливание является операцией по термической обработке металла. Она состоит из нагревания металла до критической температуры, при которой изменяется кристаллическая решетка материала , либо до температуры, при которой происходит растворение фазы в матрице, существующей при низкой температуре.

Важно понимать:

• После достижения критической температуры металл подвергается резкому охлаждению.
• После закаливания сталь приобретает структуру мартенсита (по имени Адольфа Мартенса) и поэтому обретает твердость.
• Благодаря закаливанию прочность стали повышается. Металл становится еще тверже и более износостойким.
• Следует различать обычную закалку материала и закалку для получения избытка вакансий.

Режимы закалки различаются по скорости протекания процесса и температуре нагревания. А также имеются различия по длительности выдержки при данном температурном режиме и скорости охлаждения.

Выбор температуры для закалки

Решение, при какой температуре производить закалку металла обусловлено химическим составом стали.

Закалка бывает двух видов:

• полная;
• неполная.

Руководствуясь диаграммой критических точек можно видеть, что доэвтектоидную сталь при процессе полного закаливания следует нагревать выше точки Ас3 на 30–50 градусо в. В результате у стали будет структура однородного аустенита. Впоследствии под действием процесса охлаждения он превратится мартенсит.

Рисунок №1. Критические точки .

Неполное закаливание чаще применяется для инструментальной стали. Цель неполного закаливания - достигнуть температуры, при которой проходит процесс образования избыточных фаз. Нагревание стали происходит в температурном промежутке от Ас1 - Ас2 . При этом в структуре мартенсита сохранится какое-то количество феррита, оставшегося после закаливания стали.

Для закаливания заэвтектоидной стали лучше придерживаться температуры на 20–30 градусов больше Ас1 - неполная закалка. Из-за этого при нагревании и охлаждении будет сохраняться цементит, что повышает твердость мартенсита. При закалке не следует нагревать заэвтектоидную сталь свыше положенной температуры. Это может сказаться на твердости.

Скорость охлаждения

Структура мартенсита получается при быстром охлаждении аустенита в тот момент, когда температура стали способствует наименьшей устойчивости аустенита (около 650-550 градусов).

При переходе в зону температур, в которой происходит мартенситное превращение (ниже 240 градусов) применяется замедленное охлаждение. В результате успевают выравнится образующиеся структурные напряжения в то время, как твердость образовавшегося мартенсита не снижается.

Для проведения успешной термической обработки очень важно правильно выбрать среду закаливания. Часто в качестве закалочной среды могут применяться:

• вода;
• раствор едкого натрия (5–10 %) или поваренной соли;
• минеральное масло.

Для закаливания углеродистой стали лучше использовать воду, температура которой 18 градусов. Для закалки легированной стали подойдет масло.

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.

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 .

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:

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.

Дефекты при закаливании стали

Заключение

Самое важно при закалке металла это четкое соблюдение технологии. Любой отклонение в сторону приводит к нежелательным последствиям. Если делать все правильно, то даже в домашних условиях можно провести процесс закаливания стали.