что такое закаливаемость стали

Особенности закалки стали

Термообработка металла изменяет его характеристики. Закалка стали делает ее тверже, прочнее. В отдельных случаях термообработку проводят для измельчения зерна, выравнивания структуры. Простую технологию нагрева и быстрого охлаждения для мелких деталей можно осуществить в домашних условиях. Необходимо знать марку стали и ее температуру нагрева для закалки.

Закалка стали

Что такое закалка металла?

Один из видов термообработки — закалка металла. Она состоит из нескольких этапов, выполняемых в определенной последовательности:

В процессе изготовления сложные детали могут проходить несколько закалок разного вида.

По глубине обработки закалка делится на два вида:

В основном в машиностроении применяется объемная термообработка, когда деталь прогревается на всю глубину. В результате резкого охлаждения, после завершения термообработки твердость внутри и снаружи отличается всего на несколько единиц.

Поверхностная закалка применяется для деталей, которые должны быть твердые сверху и пластичные внутри. Индуктор прогревает сталь на глубину 3–20 мм и сразу за ним расположен спрейер, поливающий горячий металл водой.

Сталь нагревается до состояния аустенита. Для каждой марки своя температура, определяемая по таблице состояния сплавов железо-углерод. При резком охлаждении углерод остается внутри зерна, не выходит в межкристаллическое пространство. Превращение структуры не успевает происходить, и внутреннее строение содержит перлит и феррит. Зерно становится мельче, сам металл тверже.

Какие стали можно закаливать?

При нагреве и быстром охлаждении внутренние изменения структуры происходят во всех сталях. Твердость повышается только при содержании углерода более 0,4%. Ст 35 по ГОСТ имеет его 0,32 – 0,4%, значит может «подкалиться» — незначительно изменить твердость, если углерод расположен по верхнему пределу.

Закаливаемыми считаются стали, начиная от СТ45 и выше по содержанию углерода. В то же время закалка нержавеющей стали с низким содержанием углерода типа 3Х13 возможна. Хром и некоторые другие легирующие элементы заменяют его в кристаллической решетке и повышают прокаливаемость металла.

Высоколегированные углеродистые стали содержат вещества, ускоряющие процесс охлаждения и повышающие способность стали к закалке. Для них требуется сложная ступенчатая система охлаждения и высокотемпературный отпуск.

Температура и скорость нагрева

Температура нагрева под закалку повышается с содержанием в стали углерода и легирующих веществ. Для Ст45 она, например, 630–650⁰, Ст 90ХФ — более 800⁰.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали при быстром нагреве могут «потрещать» — образовать на поверхности и внутри мелкие трещины. Их нагревают в несколько этапов. При температурах 300⁰ и 600⁰ делают выдержку. Кроме выравнивания температуры по всей глубине, происходит структурное изменение кристаллической решетки и переход к другим видам внутреннего строения.

Свойства стали после закалки

После закалки деталей происходят структурные изменения, влияющие на технические характеристики металла:

На поверхности каленой детали легко получить высокий класс чистоты. Сырая сталь не шлифуется, тянется за кругом.

Виды закалки стали

Основные параметры для закалки стали: температура нагрева и скорость охлаждения. Они полностью зависят от марки стали — содержания углерода и легирующих веществ.

Закаливание в одной среде

При закаливании стали среда определяет скорость охлаждения. Наибольшая твердость получается при окунании детали в воду. Так можно калить среднеуглеродистые низколегированные стали и некоторые нержавейки.

Если металл содержит более 0,5% углерода и легирующие элементы, то при охлаждении в воде деталь потрещит — покроется трещинами или полностью разрушится.

Высоколегированные стали повышают свою твердость даже при охлаждении на воздухе.

При закалке на воде легированная сталь подогревается до 40–60⁰. Холодная жидкость будет отскакивать от горячей поверхности, образуя паровую рубашку. Скорость охлаждения значительно снизится.

Ступенчатая закалка

Закалка сложных по составу сталей может производиться в несколько этапов. Для ускорения охлаждения крупных деталей из высоколегированных сталей, их сначала окунают в воду. Время пребывания детали определяется несколькими минутами. После этого закалка продолжается в масле.

Вода быстро охлаждает металл на поверхности. После этого деталь окунается в масло и остывает до критической температуры структурных преобразований 300–320⁰. Дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.

Если калить массивные детали только в масле, температура изнутри затормозит остывание и значительно снизит твердость.

Изотермическая закалка

Закалить металл с высоким содержанием углерода сложно, особенно изделия из инструментальной стали — топоры, пружины, зубила. При быстром охлаждении в нем образуются сильные напряжения. Высокотемпературный отпуск снимает часть твердости. Закалка производится поэтапно:

После закалки в селитровой ванне отпуск не нужен. Напряжения снимаются во время медленного остывания.

Изотермическая закалка

Светлая закалка

Технического термина «светлая закалка» не существует. Когда производится закалка легированных сталей, включая нагрев, в вакууме или инертных газах, металл не темнеет. Закалка в среде защитных газов дорогостоящая и требует специального оборудования отдельно на каждый тип деталей. Она применяется только при массовом изготовлении однотипной продукции.

В вертикальной печи деталь нагревается, проходя через индуктор, и сразу же опускается ниже — в соляную или селитровую ванну. Оборудование должно быть герметично. После каждого цикла с него откачивается воздух.

Закалка с самоотпуском

При быстром охлаждении в процессе закалки стали внутри детали остается тепло, которое постепенно выходит и отпускает материал — снимает напряжения. Делать самоотпуск могут только специалисты, которые знают, насколько можно сократить время пребывания детали в охлаждающей жидкости.

Самоотпуск можно производить дома, если нужно незначительно увеличить твердость крепежа или мелких деталей. Необходимо уложить их на теплоизолирующий материал и сверху накрыть асбестом.

Способы охлаждения при закаливании

Широко используемые в промышленности способы охлаждения металла при закалке на воду и в масле. Самый древний состав для закалки мечей и других тонкостенных предметов — соляной раствор. Закалку производили кузнецы, используя нагрев под ковку и тепло, выделяемое деформацией.

Красные сабли, мечи, ножи опускали в мочу рыжих парней. В Европе их просто вонзали в тела живых рабов. Коллоидный состав, содержащий соли и кислоты, позволял с оптимальной скоростью охладить сталь и не создавать лишних напряжений и поводки.

В настоящее время используют различные солевые натриевые растворы, селитру и даже пластиковую стружку.

Как закалить сталь в домашних условиях

Решение о том, как калить металл, принимается исходя из нескольких параметров:

Не все способы термообработки доступны любителям. Следует выбирать наиболее простые. Чаще всего в домашних условиях приходится закаливать нержавейку при изготовлении ножей и другого домашнего режущего инструмента.

Температура закалки хромсодержащих сталей 900–1100⁰C. Проверять нагрев следует визуально. Металл должен иметь светло оранжевый – темно желтый цвет, равномерный по всей поверхности.

Окунать тонкую нержавейку можно в горячую воду, поднимая на воздух и вновь опуская. Чем выше содержание углерода, тем больше времени сталь проводит на воздухе. Один цикл длится примерно 5 секунд.

Простые свариваемые стали греют до вишневого цвета и охлаждают в воде. Среднелегированные материалы должны перед окунанием в воду иметь красный цвет. После 10–30 секунд перекладываются в масло, затем укладываются в печь.

При закалке получают максимальную твердость, которую дает сталь при данной технологии. Затем высокотемпературным отпуском понижают ее до требуемой.

Оборудование

Нагрев металла производится различными способами. Нужно только помнить, что температура горения дерева не может обеспечить нагрев металла.

Если требуется улучшить качество 1 детали, достаточно развести костер. Его надо по периметру обложить кирпичами и после укладки заготовки частично закрыть сверху, оставив щели для доступа воздуха. Лучше жечь уголь.

Отдельный участок и небольшую по размерам деталь греют газовой и керосиновой горелкой, постоянно водя пламенем и прогревая со всех сторон.

Изготовление муфельной печи требует много времени и ресурсов. Ее целесообразно строить при постоянном использовании.

Охлаждающая жидкость может находиться в ведре и любой другой емкости, которая обеспечит полное погружение детали с толщиной масла в 5 наибольших сечений детали:

Деталь необходимо медленно двигать в охлаждающей жидкости. В противном случае образуется паровая рубашка.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Наипростейшее подобие муфельной печи делается из огнеупорного кирпича, шамотной глины и асбеста:

Высыхать все материалы должны при комнатной температуре. На это уйдет несколько дней. Затем можно укладывать деталь на изоляционный материал и греть.

Дефекты при закаливании стали

При закаливании стали возникают 2 группы дефектов:

Первые связаны с неравномерной, пятнистой закалкой и несоответствием полученной твердости требованиям в чертеже. Вызваны такие дефекты в основном неправильным охлаждением или некачественно проведенной термообработкой.

К неисправимым относятся сколы, трещины, полное разрушение деталей. Причина чаще всего заключается в некачественном металле.

Закалка значительно изменяет структуру и эксплуатационные качества металла. Делать ее самостоятельно можно на простых деталях. Необходимо точно знать марку стали, температуру ее закалки и охлаждающую среду.

Источник

Прокаливаемость и закаливаемость стали

Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки.

Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Прокаливаемость – это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Скорость охлаждения уменьшается от поверхности детали к центру, поэтому при большой толщине детали может оказаться, что в ее сердцевине скорость охлаждения меньше критической (рис.49). В этом случае на мартенсит закалится только поверхностный слой детали, а сердцевина будет незакаленной, с мягкой феррито-перлитной структурой.

Рис. 49. Изменение скорости охлаждения по сечению детали

Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали (рис.50). Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.

Рис. 50 Твердость полумартенситной зоны углеродистой стали.

Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра.

Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.

Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм. Прокаливаемость стали зависит главным образом от содержания легирующих элементов, которые затрудняют диффузионный распад аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения при закалке. Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше ее прокаливаемость. Чем больше размер заготовки, тем более легированная сталь должна быть применена. Кроме того прокаливаемость больше при увеличении размера зерна аустенита и повышении его химической однородности.

Закаливаемость и прокаливаемость сталей определяют опытным путем. Значения этих характеристик для различных сталей приведены в справочниках.

Для определения прокаливаемости применяют стандартный метод торцевой закалки. Стандартный цилиндрический образец после нагрева в печи быстро переносят в специальную установку, в которой его охлаждают струей воды под напором только с торца. После полного охлаждения по его образующей производят замер твердости, начиная от торца, и строят кривую прокаливаемости. Величину прокаливаемости определяют по расстоянию от торца до полумартенситной зоны (рис.51), твердость которой известна заранее по экспериментальным данным, и определяется в основном содержанием углерода.

Рис. 51. Изменение твердости по длине образца после торцевой закалки.

Определение критического диаметра для изделий простой формы (шар, цилиндр, параллепипед) может быть проведено с достаточно высокой точностью с помощью специальной номограммы (рис.52). Исходной физической характеристикой является расстояние до полумартенситной зоны, полученное экспериментально в результате торцевой закалки. Эта величина откладывается на шкале сверху номограммы. От этой точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения и из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения в воде, в масле, или на воздухе. А из этих точек опускаются перпендикуляры до шкал тела определенной формы расположенных внизу номограммы.

Рис. 52. Определение критического диаметра по данным торцевой закалки

Источник

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Сообщение об ошибке

СОДЕРЖАНИЕ

Закаливаемость и прокаливаемость стали

Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в результате закалки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Под прокаливаемостью понимают способность стали получать закаленный слой с мартенситной или троосто-мартенситной структурой и высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения, зависящей от состава стали. Если действительная скорость охлаждения в сердцевине изделия будет превышать критическую скорость закалки v_к (рис.1, v_к′″ ), то сталь получит мартенситную структуру по всему сечению и тем самым будет иметь сквозную прокаливаемость.

Рис.1. Зависимость прокаливаемости от величины критической скорости закалки vк: а и а′ – глубина закаленного слоя; vк′ – критическая скорость охлаждения углеродистой стали; vк″ – критическая скорость охлаждения низколегированной стали; vк′″ – высоколегированной стали (сталь легирована несколькими элементами)

Если действительная скорость охлаждения в сердцевине будет меньше v_к (v_к′, v_к″ ), то изделие прокалится только на некоторую глубину а, а′, и прокаливаемость будет неполной. В этом случае в сердцевине произойдет распад аустенита с образованием пластинчатой ферритно-карбидной структуры (троостита, сорбита или перлита).

За глубину закаленного слоя условно принимают расстояние от поверхности до полумартенситной зоны (50 % мартенсита + 50 % троостита). Диаметр заготовки, в центре которой после закалки в данной охлаждающей среде образуется полумартенситная структура, называют критическим диаметром. Величина критического диаметра определяет размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь, т. е. получающего высокую твердость, а после отпуска и высокие механические свойства по всему сечению. Полумартенситная структура во многих случаях не обеспечивает максимум механических свойств – сильно снижается σ _-1 и а_н. В связи с этим прокаливаемость нередко определяют по глубине закаленного слоя со структурой 95 % мартенсита. Критический диаметр для 95 % мартенсита примерно на 25 % меньше критического диаметра, определенного по полумартенситной зоне. Полная прокаливаемость на структуру из 99,9 % мартенсита составляет ∼ 50 % от полумартенситной (для инструментальных, цементируемых и нитроцементируемых сталей критический диаметр определяется для структуры 95–99 %). Полумартенситную зону принимают в качестве критерия прокаливаемости потому, что ее легко определить по микроструктуре, но еще проще по твердости. Твердость полумартенситной структуры зависит от содержания в стали углерода. Например, при 0,13–0,22 % С твердость полумартенситной структуры углеродистой стали HRC 25, легированной – HRC 30; при 0,28–0,32 % С соответственно HRC 35 и HRC 40, при 0,43–0,52 % С – HRC 45 и HRC 50 и при 0,53–0,62 % С – HRC 50 и HRC 55.

Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т. е. чем выше устойчивость переохлажденного аустенита.

Легированные стали вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения (рис.1, v_к″ и v_к′″ ) прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые посадки бора (0,003–0,005 %), менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

Устойчивость переохлажденного аустенита повышается, а критическая скорость закалки уменьшается только при том условии, если легирующие элементы растворены в аустените. Если же легирующие элементы находятся в виде избыточных частиц карбидов, то они не повышают устойчивость аустенита и могут ее уменьшить, так как карбиды служат готовыми зародышами, облегчающими распад аустенита. Карбиды титана, ниобия и ванадия при нормально принятом нагреве под закалку обычно не растворяются в аустените и понижают прокаливаемость. Сильно влияет на прокаливаемость величина зерна аустенита. В углеродистой стали при укрупнении зерна от балла 6 до 1–2 глубина закаленного слоя возрастает в 2–3 раза, поэтому повышение температуры и увеличение длительности нагрева повышают прокаливаемость. Легирующие элементы, находящиеся в виде карбидов, не только создают дополнительные центры, способствующие распаду аустенита, но и измельчают его зерно, что также увеличивает критическую скорость закалки и уменьшает прокаливаемость.

При сквозной закалке свойства стали и, в частности твердость, по всему сечению изделия одинаковы. При несквозной закалке изменение структуры стали по сечению способствует соответствующим изменениям свойств. Распределение твердости по сечению закаленных цилиндров из разных сталей показано на рис.2. При несквозной прокаливаемости твердость падает от поверхности к сердцевине. Из рис.2 видно, что твердость полумартенситной зоны углеродистой стали в данных условиях обработки имеет критический диаметр 25 мм, хромистой 50 мм и хромоникелевой ∼ 125 мм. При несквозной прокаливаемости отпуск при высокой температуре уменьшает различие в твердости и пределе прочности по сечению. Однако предел текучести, ударная вязкость и относительное сужение в сердцевине образца остаются более низкими. Это объясняется разным характером строения ферритно–цементитной структуры. В закаленном слое в результате отпуска мартенсита образуется более дисперсная ферритно–цементитная структура зернистого строения, а в сердцевине она более грубая и имеет пластинчатое строение.

Рис.2. Твердость по сечению стали, содержащей 0,4 % С и 0,85 % Mn (а); 0,4 % С; 0,85 % Mn и 1 % Cr (б); 0,4 % С; 3,5 % Ni и 1,5 % Cr (в) 1 – твердость полумартенситной зоны, HRC

Прокаливаемость углеродистой стали в небольших сечениях (диаметром до 15–20 мм) можно определить по виду излома закаленных образцов. Часто прокаливаемость определяют по кривым распределения твердости по сечению (рис.2). Для этого образец ломают или разрезают и по диаметру сечения определяют твердость.

Прокаливаемость стали в общем случае определяют методом торцовой закалки (ГОСТ 5657–69). Цилиндрический образец определенной формы и размеров (рис.3), нагретый до заданной температуры, охлаждают водой с торца на специальной установке. После охлаждения измеряют твердость по длине (высоте) образца. Так как скорость охлаждения убывает по мере увеличения расстояния от торца, будет уменьшаться и твердость.

Рис.3. Определение прокаливаемости по торцовой пробе: а – изменение твердости по длине образца после торцовой закалки: I – твердость полумартенситной зоны; 1 – сталь с низкой прокаливаемостью; 2 – сталь с высокой прокаливаемостью; б – схема закалки образца

Результаты испытаний выражают графически в координатах твердость – расстояние от охлаждаемого торца. Определив расстояние от торца до участка с твердостью, соответствующей полу мартенситной зоне данной стали, можно по специальным номограммам найти критический диаметр. Чтобы характеристика прокаливаемости стали не была связана с видом охладителя, при использовании номограмм вводят понятие об идеальном критическом диаметре, который является наибольшим диаметром образца, прокаливаемого насквозь, при идеальном охлаждении. Поверхность образца в идеальном охладителе должна мгновенно принимать его температуру, т. е. охлаждение следует проводить с бесконечно большой скоростью. От идеального критического диаметра можно перейти к реальному критическому диаметру, используя номограмму, приведенную на рис.4а. Определим критический диаметр для стали 1 ( рис.3). Для этой стали расстояние от торца до поверхности полумартенситной зоны составляет 10 мм. Для определения критического диаметра на шкале расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны (рис.4а) находим деление 10 и опускаем перпендикуляр до пересечения с линией «идеальное охлаждение». От точки а проводим горизонтальную линию влево до пересечения линией заданной охлаждающей среды – вода (точка б) или масло (точка с). От точек б и с опускаем перпендикуляр до шкалы – критический диаметр. Точки с′ и б′ показывают искомый размер критического диаметра.

На практике с достаточной точностью критический диаметр может быть определен по графику, представленному на рис.4б. Для этого на оси абсцисс откладывают расстояние от охлаждаемого торца до зоны, имеющей полумартенситную твердость, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой для закалки в масле или воде. Горизонталь, проведенная от этой точки до ординаты, укажет величину D_к. Например, для стали 2 (рис.3) расстояние от торца до зоны с полумартенситной твердостью составляет 19 мм, тогда D_к = 75 мм при закалке в воде и D_к = 50 мм при закалке в масле (рис.4б).

Прокаливаемость даже одной и той же стали может колебаться в значительных пределах в зависимости от изменений химического состава, величины зерна, размера и формы изделия и многих других факторов. В связи с этим прокаливаемость стали каждой марки характеризуют не кривой, а так называемой полосой прокаливаемости, которая не всегда отражает действительную прокаливаемость стали в изделии. Полосы прокаливаемости для углеродистой и легированной сталей, содержащей 0,4 % С, наглядно показывающие влияние легирующих элементов, приведены на рис.5.

Источник