Методы и режимы закалки стали

Для изготовления деталей и узлов, которые подвергаются значительным нагрузкам, применяю разные виды металлов. Чтобы улучшить механические характеристики и продлить срок эксплуатации изделий, используют закалку. Она представляет собой вид термической обработки, которая меняет структуру материала. Процесс предусматривает комплекс операций и проводится при определенном режиме. Может использоваться для изделий из разных марок стали, а также из некоторых видов чугуна, цветных металлов и сплавов.

Особенности технологии и задачи

В процессе закалки сначала материал нагревают до температуры выше критических показателей, затем выдерживают определенное время в соответствии с технологической картой и охлаждают. Термообработка разных марок сталей происходит с полиморфным превращением, которое меняет кристаллическую решетку материала. Выдержка при высокой температуре обеспечивает переход в состояние аустенита, а последующее быстрое охлаждение способствует получению жесткой структуры (мартенсита и других фаз).

Сталь после такой термической обработки становится более твердой и устойчивой к износу, но при этом увеличивается ее хрупкость и уменьшается вязкость. Чтобы повысить прочность и пластичность, используют отпуск. Сначала металлы или сплавы нагревают до температуры ниже критических показателей (+150…+650 °C), потом медленно охлаждают с заданной скоростью.

Нужный эффект получается при точном соблюдении режима закалки стали. Применение такой технологии обеспечивает:

• Увеличение твердости. После обработки материал становится более износостойким и способен выдержать значительные механические нагрузки.
• Повышение показателей прочности. Закаленные металлы имеют более высокую выносливость и могут использоваться для ответственных конструкций, которые эксплуатируются в условиях больших нагрузок.
• Повышение стойкости к высоким температурам. После закаливания материалы становятся термостойкими и допускают применение в сложных условиях, что особенно востребовано в энергетике и нефтехимической отрасли.

Закалка помогает снизить восприимчивость некоторых металлов к появлению коррозии. Это особенно важно для деталей, взаимодействующих с влагой и химически агрессивными веществами. Улучшение механических характеристик после термообработки позволяет заменять полнотелые детали пустотелыми. Изделия становятся менее массивными, что приводит к уменьшению металлоемкости производственного процесса и себестоимости единицы продукции.

Закаливание цветных металлов и сплавов (медь, латунь и бронза) используется реже и происходит без полиморфных превращений. После обработки повышается пластичность материалов, а отпуск снимает напряжения после прессовки, литья, прокатки или штамповки.

Материалы и сфера применения

Закалка широко применяется для разных марок стали. Благодаря высокому содержанию углерода они восприимчивы к нагреву и быстрому охлаждению, упрочняются и становятся более износостойкими. Однако термообработка каждого вида имеет свою специфику. Для формирования структуры мартенсита доля углерода не может быть менее 0,4%. Избежать увеличения хрупкости у высоколегированных марок помогут соблюдение режима, и строгий контроль показателей температуры и времени. Нержавеющие стали закаливают при увеличении периода термического воздействия.

Закалку также используют для обработки:

• Некоторых видов чугуна. К ним относится металл с повышенным содержанием карбида и специальный для изготовления инструментов путем литья.
• Алюминиевые сплавы. Когда их закаливают, легирующие элементы при нагревании частично или полностью растворяются, проникают в структуру металла и упрочняют ее. Увеличиваются прочность и жесткость металла.
• Титан и сплавы. У титана после закаливания повышаются износостойкость и прочность, а сплавы также становятся более стойкими к коррозии и допускают эксплуатацию в агрессивных условиях.

Термообработка востребована на инструментальном производстве для изготовления фрез, сверл и другой режущей оснастки, которая должна долго сохранять функциональность. Она увеличивает прочность и стойкость к износу, улучшает качество рабочих операций и значительно продлевает ресурс инструментов.

Закалка используется для обработки стали в машиностроении, энергетике, нефтехимической промышленности, автомобилестроении и строительстве и в других отраслях, где важны надежность и долговечность. С ее помощью улучшают механические характеристики крепежа, арматуры, подшипников, валов, подвесок и тормозных систем, обеспечивая продолжительный срок эксплуатации, стойкость к износу и безопасность.

Для достижения нужного результата каждому материалу требуется правильно подобрать режим термообработки, который определяется несколькими параметрами.

Этапы проведения и параметры процесса

Перед началом закалки необходимо подготовить детали и заготовки из стали – удалить с поверхности грязь, окалину и следы масла. Определить целесообразность применения защитных методов от окисления. Для улучшения характеристик проводят отжиг или нормализацию, после которых структура металла становится более равномерной.

Первый этап термообработки – нагрев, который осуществляется до заданных показателей температуры. Для него используют следующее оборудование:

• Муфельные печи. Они имеют закрытые камеры и комплектуются нагревательными элементами, которые помогают поддерживать внутри нужный режим нагрева.
• Устройства индукционного нагрева. Благодаря наличию магнитного поля создаются вихревые токи высокой частоты, которые проникают в структуру стали и разогревают ее.
• Плазменные агрегаты. Нагрев происходит с помощью плавильных устройств, которые повышают температуру металла за счет воздействия электрической дуги в сочетании с инертным газом.
• Установки с нагреванием в расплавах. Для термообработки применяют приборы с ваннами для расплавляемых веществ и мощными нагревательными элементами.

Возможны также и другие способы. Основным показателем нагрева, который определяет результаты всего процесса закалки, является температура. Она влияет на изменение кристаллической решетки и способствует формированию нового структурного состояния. При выборе температурного режима учитывают содержание углерода и тип стали. Примеры приведены в таблице.

Показатели должны быть выше точки, в которой происходит преобразование аустенита в мартенсит. Для большинства марок температурный режим варьируется в пределах +800-1000 °C. Точные значения определяют в соответствии с химическим составом и особенностями структуры металла. Легированным необходимо подобрать правильное соотношение между температурой и составом. Стали высокоуглеродистых марок нагревают сильнее, чем низкоуглеродистые. На выбор температуры влияют форма и размеры деталей, необходимые механические свойства и технология нагрева.

Нарушение режима существенно влияет на характеристики обрабатываемых изделий и заготовок. При недостаточном нагревании во время закалки не образуется нужная мартенситная структура, а перегрев становится причиной окислительных реакций, возрастания внутренних напряжений и хрупкости.

Помимо температурного режима при проведении термообработки важны следующие параметры:

• скорость увеличения показателей температуры, которая влияет на уровень напряжений и однородность структуры металла;
• срок выдержки, определяющий время для завершения структурных преобразований;
• скорость уменьшения температуры, обеспечивающая создание мартенситной структуры.

Интенсивность отвода тепла и длительность периода охлаждения зависит от охлаждающей среды. В таблице приведены характеристики для разных вариантов веществ и марок стали.

Способы закалки и охлаждения

Термообработка может быть объемной, когда воздействию подвергается вся деталь, и поверхностной. Во втором случае только наружный слой изделий становится более прочным. С помощью разных видов оборудования и режимов обработки можно выполнять следующую закалку:

• С охлаждением в одной среде. Металл нагревается и выдерживается определенное время, а затем остывает. Для охлаждения применяют воду, воздух или минеральное масло. При таком способе сохраняются напряжения в структуре, которые нейтрализуют отпуском.
• Ступенчатая. Выполняется в два этапа. Сначала до температуры выше точки формирования мартенсита охлаждают в одной среде, затем в другой с небольшой скоростью. Такой режим подходит для сложнолегированных сталей и позволяет контролировать изменение структуры.
• Изотермическая. Используется для высокоуглеродистых марок. Термообработка предусматривает охлаждение и выдержку в ванне с селитрой или расплавленной щелочью.
• Светлая. Подходит для металлических деталей и изделий, поверхность которых подвержена окислительным процессам и не будет шлифоваться. Чтобы исключить такой эффект, нагрев выполняют в вакууме или в среде инертных газов. Для охлаждения применяют жидкие растворы и расплавы, неокисляющие поверхность.

Охлаждение может выполняться путем погружения в резервуар, с помощью струи жидкости под давлением или обдувом воздухом или инертным газом.

Для обеспечения заданных показателей твердости и других характеристик изделий из стали и алюминиевых сплавов нужно правильно подобрать режим и контролировать проведение термообработки на каждом этапе.